売り上げの一部は、東京理科大学の給付型の奨学金の一部になるなど教育・研究環境の充実に役立てられております。進出した植物(陸上植物)の表皮には「気孔」とよばれるガス交換のための孔(あな)がありますが、コケ植物タイ類は気孔をもっていません。共同で、タイ類のもつ気孔形成関連因子の役割を世界で初めて明らかにしました。タイ類は進化の過程で気孔を失っているので、気孔形成因子も失っていると考えられてきました。今回、タイ類のモデル植物であるゼニゴケのゲノムに2つの気孔形成因子の相同遺伝子が存在することを発見しました(MpSETAおよびMpICE2と命名)。分子遺伝学的な解析の結果、MpSETAとMpICE2はコケ植物特有の組織である「蒴柄(さくへい)」という、気孔とは形も生理学的な機能も異なる組織に特異的に発現し、蒴柄細胞の分裂および分化を制御することを明らかにしました。本研究により、これまで全く想定されていなかった、気孔と蒴柄の発生メカニズムが共通するという可能性が見出されました。陸上植物の表皮には「気孔」とよばれる2つの孔辺細胞からなる孔が空いており、光合成や蒸散の時に、二酸化炭素や酸素、水蒸気などのガス交換を行っています。bHLHと呼ぶ)が中心的な役割を担うことが明らかとなっています。私たちのグループは気孔の進化に興味をもち、タイ類に分類されるコケ植物注2に着目しました。植物は陸上に進出する際の進化の過程で気孔を獲得しましたが、その後タイ類の共通祖先で気孔が失われたため、現在生育するすべてのタイ類は気孔をもっていません。bHLH遺伝子が1つ存在することを示しました(MpSETAと命名)。bHLHを欠損した変異体(mute変異体)にMpSETAを発現させると一部気孔が形成されました(図1)。bHLHがシロイヌナズナの気孔形成に関わる遺伝子の発現を制御することができることを示しています。レポーター遺伝子を使った遺伝子の発現パターン解析により、MpSETAは受精後に発達する胞子体注3の組織である「蒴柄(さくへい)」で発現することがわかりました。遺伝子ターゲティング法注4によりMpSETA遺伝子をノックアウトした株では蒴柄細胞の形成不全が見られたことから、MpSETAはゼニゴケの蒴柄形成に重要な転写因子であることがわかりました(図2)。bHLHとヘテロ二量体を形成することで気孔形成を制御します。bHLH遺伝子を2つもっていることがわかりました(MpICE1およびMpICE2と命名)。このうち、MpICE2がMpSETAと相互作用することを示し、ゲノム編集技術注5により作出したMpice2変異体がMpsetaノックアウト株同様、蒴柄形成に異常のある変異体であることを見出しました。bHLHのヘテロ二量体がタイ類においては蒴柄の形成を制御するということを示唆しています(図3)。気孔と蒴柄は見た目も機能も全く異なる組織なので、これまでこの2つの組織のでき方(発生メカニズム)が共通している可能性は指摘されていませんでした。気孔は陸上植物の共通祖先で獲得された組織ですが、蒴柄はコケ植物セン類とタイ類の共通祖先で獲得された組織であると考えられているため、気孔の方が蒴柄よりも進化的起源の古い組織です。したがって、元々気孔形成に使われていた遺伝子発現制御系が蒴柄形成に使われるようになったと考えられます。した現象は「転用(co-option、コ・オプション)」とよばれ、生物が新しい組織や器官を獲得するのに重要なメカニズムのひとつです。今後は、MpSETA-MpICE2がどのような遺伝子の発現を制御することで蒴柄形成を導くのか調べ、蒴柄形成と気孔形成との関係を遺伝子レベルで解析することで、植物進化の過程における新規組織獲得の原理の一端を明らかにすることができると考えています。コケ植物セン類は気孔と蒴柄の両方の組織をもつ唯一の植物群なので、今後両組織の形成メカニズムの関係を調べるのに最も適した実験材料になるのではないかと期待しています。(JP21J14990、JP12J05453、JP18K06284、JP15H05776、JP19K06722、JP20H05416、JP26711017、JP18K06283、JP18K19964、JP20H05905、JP20H05906、JP20H04884)等の助成を受けて実施されました。注1:塩基性ヘリックス-ループ-ヘリックス型転写因子(bHLH型転写因子)遺伝子の転写を調節するタンパク質(転写因子)の一種。region)と、タンパク質の二量体化にはたらくヘリックス-ループ-ヘリックス(HLH)構造をもち、二量体として機能します。陸上植物は大きくコケ植物と維管束植物にわかれます。コケ植物はさらに「セン類(蘚類)」、「タイ類(苔類)」、「ツノゴケ類」という、大きく3つのグループにわかれています。一般的に、セン類とツノゴケ類、維管束植物は気孔をもっていますが、タイ類は気孔をもっていません。注3:胞子体(ほうしたい)維管束植物が二倍体(相同染色体を2つずつもつ)の世代優占の生活環をもつ一方で、コケ植物は酵母や緑藻類などと同様、一倍体(相同染色体を1つだけもつ)世代優占の生活環をもちます。体の器官は配偶体、二倍体の器官は胞子体と呼ばれます。ゼニゴケの胞子体は足(あし)、蒴柄(さくへい)、胞子嚢(ほうしのう)という3つの器官・組織でできている単純な構造です。相同組換えを利用して、染色体上の狙った内在遺伝子を薬剤耐性遺伝子に置き換えて破壊する方法。注5:ゲノム編集技術ゲノムの特定の塩基配列を狙って変化させる技術。本研究ではゲノム編集技術のひとつ「CRISPR/Cas9(クリスパー・キャスナイン)」を利用し変異を導入しました。研究者のコメント「気孔の無い植物における気孔関連因子の役割は何か?」をスローガンに始めた研究ですが、その意外な機能に迫ることができたのは嬉しいかぎりです。コケ植物と花の咲く植物は進化的に4億年以上前に分岐した植物たちですが、それでもゼニゴケの遺伝子を顕花植物シロイヌナズナに導入すると、部分的ながら気孔を作る機能が残っていたのは驚きです。これからも、あっと驚く意外な研究をしていきたいです。植物は、減数分裂で生じた単相(n)の細胞から、多細胞体である「配偶体」をつくり、その中から生殖細胞を分化させるという、ヒトなどの動物とは異なる有性生殖の様式をもちます。Reserved.当サイトでは、利用者動向の調査及び運用改善に役立てるためにCookieを使用しています。当ウェブサイト利用者は、Cookieの使用に許可を与えたものとみなします。詳細は、「プライバシーポリシー」をご確認ください。