植物の「内と外」を最初に作る仕組みを発見〜細胞はかたちを少し変えることで分裂の方向を決めている〜

発表のポイント

植物の胚の最外層で働く遺伝子が壊れると、内側と外側の組織の性質が混在する胚が作られることを発見しました。
単細胞である受精卵の第一分裂から、内外軸が作られるまでの胚発生の様子を精緻に捉えることに成功しました。
細胞分裂の方向は、第一分裂後の細胞のかたちや核の場所をもとに決まるという数学的なルールをシミュレーション計算によって特定しました。

概要

　植物の基本的な構造は、茎や根のような円筒型です。内側の維管束と、外側の表皮とを繋ぐ平面的な内外軸をもつことが、植物のかたち作りにとって重要です。しかし、内外軸がいつ・どのように作られ始めるのかは長年の謎でした。
　東北大学の植田美那子教授、広島大学の藤本仰一教授、熊本大学の檜垣匠教授、東京大学の東山哲也教授らの共同研究グループは、モデル植物のシロイヌナズナにおいて、胚の最外層で働く HD-ZIP IV 転写因子群を壊すと、内外軸がうまく作れなくなることを見出しました。また、受精卵から胚が次第に作られていく様子を、ライブイメージングによって詳細に追跡した結果、受精卵の第一分裂の直後から、この転写因子群の働きによって細胞が少し横に伸び、核が細胞の底面に位置することや、その後に細胞が左右に分裂し、内外分裂に至ることを発見しました。さらに、細胞のかたちと核の位置によって、数学的に最も安定な場所に分裂面が作られることを突き止めました。
　この研究によって、細胞のかたちや核の位置という幾何学的な情報をわずかに変化させるだけで分裂方向が決まるという、精緻な戦略が明らかになりました。この発見により、植物の体軸形成への理解が進むと期待されます。
　本研究成果は Current Biology 誌に2024年9月19日付で掲載されました。

図. （A）植物の体軸の模式図。（B）表皮で働く遺伝子（緑）と胚全体で働く遺伝子（ピンク）の発現を蛍光標識したシロイヌナズナの胚。野生型と、HD-ZIP IV 転写因子群が壊れた hdg11/12 pdf2三重変異体を示す。（C）細胞膜を蛍光標識した野生型胚のライブイメージング像。時間は時：分を示す。（D）コンピュータシミュレーションによる分裂方向の推定。左右分裂する直前の野生型胚の細胞形状と核の位置をもとに、「核の中心を通り、かつ面積が最小になる分裂面」を計算すると、実際の分裂面と同様に左右分裂することが分かる。スケールバーは 10 マイクロメートル（µm）を表す。

【論文情報】

Sayuri Tanaka, Yuuki Matsushita, Yuga Hanaki, Takumi Higaki, Naoya Kamamoto, Katsuyoshi Matsushita, Tetsuya Higashiyama, Koichi Fujimoto, and Minako Ueda*. (2024) HD-ZIP IV genes are essential for embryo initial cell polarization and the radial axis formation in Arabidopsis. Current Biology
DOI：10.1016/j.cub.2024.08.038
URL：https://doi.org/10.1016/j.cub.2024.08.038

詳細（プレスリリース本文）

東北大学大学院生命科学研究科 Graduate School of Life Sciences, Tohoku University

東北大学大学院生命科学研究科 Graduate School of Life Sciences, Tohoku University.

研究成果