【詳細な説明】
研究の背景
　植物には、花や葉、根や茎など、さまざまな器官があります。それらのかたち作りの原点となっているのは「最初の細胞」である受精卵です。したがって、父母の細胞が融合（受精）して受精卵となる生殖過程や、受精卵が規則的な細胞分裂を経て胚へと発生する過程で「何が起こるか」を可視化することが重要です。しかし、植物の生殖や胚発生は花や種子といった母組織の奥深く進行するので、生きた動態を捉えるには特殊な可視化マーカーを形質転換する必要がありました。これは多大な手間と時間を要するだけでなく、いまだ遺伝子組換え技術が確立されていない非モデル植物には適用できない手法です。また、一般的な植物細胞は硬い細胞壁に覆われるので、固定した組織の細胞壁を染色して観察することができますが、細胞膜同士の融合によって受精する生殖細胞は細胞壁を欠くので、この方法も使えません。このような制約から、植物における生殖や胚発生の動態はこれまでほとんど分かっていませんでした。

 

 

今回の取り組み
　東北大学大学院生命科学研究科の花木優河氏と多田圭吾氏（ともに修士2年生）、中村聡太氏（修士卒業生）、中川朔未氏（博士1年生）、鈴木秀政助教、松本光梨助教、木全祐資助教、植田美那子教授、名古屋大学の佐藤良勝博士らの研究グループは、細胞膜の特異的な蛍光色素であるFM4-64で染色した若い種子を顕微鏡下で培養することで、シロイヌナズナの卵細胞や受精卵、初期胚の細胞輪郭を生きたまま高精細に可視化することに成功しました。この手法と、深部観察に適した2光子励起顕微鏡とを組み合わせたライブイメージングによって、受精卵が胚発生を開始する過程の定量的な時系列解析も可能となりました。
　さらに、この方法は被子植物だけでなく、ゼニゴケ（コケ植物）やリチャードミズワラビ（シダ植物）の生きた生殖細胞の観察にも有効であり、受精前後での細胞形状の変化や、初期胚の細胞分裂パターンを鮮明に捉えられるようになりました。
したがって本研究は、遺伝子組み換え株を作出する必要なく、広範な植物種における生殖や発生過程を時空間的・定量的に解析する簡便かつ高精細な観察ツールを提供するものです。

 

 

今後の展開
　この方法論では、遺伝子組換えに要する長い準備期間を経ずにライブイメージング解析を実現できるので、多様な突然変異体や阻害剤を駆使した攪乱実験と組み合わせることで、生殖過程や胚発生の研究が格段に加速します。また、いまだ遺伝子組み換え技術が確立されていない非モデル植物の解析に非常に有効です。特に、進化の過程で多様化した生殖戦略の比較や、農業的に有用な植物種の交配法の確立といったさまざまな研究において、基盤的なツールとなると考えられます。これらの植物種においても、顕微鏡下での生殖組織の培養法が確立されれば、本研究の可視化法と組み合わせることで、形質転換を要しない高精細ライブイメージングも可能になるので、さらなる応用研究への展開が期待されます。

 

 

図. 本研究で開発した生きた生殖組織の簡便な観察法の概略図（上段左）。FM4-64色素による細胞輪郭の可視化と、顕微鏡下での培養法の組み合わせにより、胚発生のライブイメージングが可能になった（上段右）。下段はさまざまな植物種の生殖組織をFM4-64染色したもの。卵細胞あるいは受精卵をオレンジ括弧で示す。スケールバーは10マイクロメートル（µm）を表す。