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Whole-tissue three-dimensional imaging of rice at single-cell resolution

佐藤 萌子 横浜市立大学

2022.03.25

概要

植物の成長は、茎頂メリステム(Shootapicalmeristem;SAM)での成長ステージの連なりとして理解される。植物は発芽後にSAMにおいて葉を作る栄養成長期を開始し、適切な環境の変化を認識すると花を作る生殖成長期へ移行する。生殖成長期では、はじめに花序を構成する枝が作られる発生ステージが始まり、次いで花序メリステムが花メリステムへと転換する。生殖成長期におけるこれらの転換は生殖の成功に直結する重要なイベントである。生殖の成功とは、植物の発芽可能な種子の数が最適化することである。生態学的な⾯では、植物の発芽可能な種子の数が最適化することが重要であり、農業⾯では利用可能な果実と種子の数が増加することが重要である。栄養成長相から生殖成長相への転換においては、例えばこの転換が早すぎると、植物体の茎葉の数とサイズが十分に⼤きくなれず、生殖成長に利用可能な代謝産物などが不足し、花序の分枝や花の数及び果実、種子の成熟が不十分になる。この転換が遅すぎると、季節推移によって栽培環境の気温が生殖成長に不適切となり、果実、種子の成熟が不十分になる。花序メリステムから花メリステムへの転換では、例えばこの転換が早すぎると、花序が十分な数の分枝をつくる前に花へと転換してしまうため、花序の分枝数と花の数が不十分になる。この転換が遅すぎると、花序が花をつくり過ぎてしまうため、個々の花に供給される代謝産物などが不足し、果実、種子の成熟が不十分になる。

この成長ステージ転換は様々な遺伝子によって制御されているが、フロリゲンはこのステージ転換において重要な役割を果たす。フロリゲンは日長に応答して葉で合成され、SAMに輸送される。輸送されたフロリゲンは転写因子FDとタンパク質とフロリゲン活性化複合体（FAC）を形成して、標的遺伝子であるMADS-box遺伝子を活性化することで栄養成長期から生殖成長期への移行を促進する。またフロリゲンは花序メリステムから花メリステムへの移行も制御しており、花メリステムへの移行が早くなると花序の分枝数が減少し、遅くなると花序の分枝数が増加する。シロイヌナズナ、トマト、イネにおいて、深刻な花成遅延を引き起こさない程度のフロリゲン活性の減少は収量を増加させることが知られている。

成長ステージの転換は植物の形態形成に⼤きな転換をもたらす。生殖成長期に移行すると花序メリステムが作る側生器官の形態が変化し、葉序や葉間期も変化する。こうした変化をもたらすのが植物ホルモンである。例えば、オーキシンは器官分化の運命決定が成される領域で高蓄積する。オーキシンの合成、輸送、作用の変異体は、イネ、トウモロコシ、シロイヌナズナにおいてひどい形態の撹乱をもたらす。
トウモロコシとイネにおいて、オーキシンだけでなくサイトカイニンも葉序に影響を与えることも知られている。シロイヌナズナの葉序はAHP6の拡散を介した負の領域で制御される。トウモロコシ及びイネにおいてはサイトカイニン情報伝達が撹乱される変異により、葉序が互生から十字対生に変化する。興味深いことに、サイトカイニンは成長ステージ転換にも関与することが知られている。イネでは、サイトカイニン分解酵素Gn1の機能⽋損がサイトカイニンの増加をもたらし、花序から花への転換が遅れて分枝が増加する。
しかしながら、様々な成長ステージ転換の際の植物ホルモンの情報伝達がどのような時空間的な分布の変化が起こるのかはほとんどわかっていない。またフロリゲンを介した成長ステージの転換がどのように植物ホルモンの情報伝達と統合されるのかについても明らかになっていない。

これまでフロリゲンと植物ホルモンの相互作用の実態がよく調べられていなかった理由は2つに整理できる。1つ目の理由は、細胞の分裂と分化の研究と成長ステージの転換の研究が別々に行われてきたからである。２つ目の理由は空間的な分布を調べる方法がなかったからである。1つ目の理由について、オーキシンの合成、代謝、情報伝達や発生学的な機能については歴史的に膨⼤な研究の蓄積がある。サイトカイニンについても同様である。フロリゲンについては2007年に正体がわかって以降、分子機能の解明が急速に進んでいる。後述する⼿法の限界があり、これらを統合した研究がなかった。2つ目の理由について、シロイヌナズナでは蛍光タンパク質を導⼊したレポーター系によるサイトカイニンとオーキシン情報伝達の分布を観察する方法が報告されているが、フロリゲンはレポーター系の確立されていない。⼀方で、イネでは他の植物ではできていないフロリゲンの観察が可能である。しかし、オーキシン情報伝達のレポーターは根でのみ複数で報告があり、茎頂メリステムでの観察は困難である。サイトカイニン応答性レポーターについてはイネでは存在しない。同じ単子葉植物であるトウモロコシで観察されているが、観察対象は胚に限定されている。また、これまでの観察は深部の蛍光シグナルの取得が困難で、解像度も低く、品質の高いイメージング像を取得する方法がなかった。理想的には深部イメージングの最高到達点であるの全細胞層の3Dイメージングで蛍光シグナルを取得し、解像度も1細胞レベルのイメージング像を取得する方法が望まれている。

本研究ではイネにおいてサイトカイニン、オーキシン、フロリゲンのレポーター系統と1細胞解像度3Dイメージング系を確立し、サイトカイニン、オーキシン、フロリゲンの相互作用を明らかにすることを試みた。確立した3Dイメージング系を用いて、茎頂メリステムにおけるオーキシン情報伝達、サイトカイニン情報伝達、フロリゲンの分布を明らかにし、さらにサイトカイニン情報伝達とフロリゲンの機能がFT-likeタンパク質であるOsFTL1で統合されることを明らかにした。

第⼀章では、まず3者の分布を空間的に観察するためにサイトカイニン応答性レポーターTCSv2とオーキシン応答性レポーターDR5系統をイネで確立し、空間的な観察を行うための3Dイメージング系を確立した。
第⼆章では、この材料と方法を用いてサイトカイニンとオーキシン情報伝達の分布とフロリゲンの空間的な分布を1細胞解像度で明らかにした。サイトカイニン量が増加したイネ系統の茎頂メリステムのRNA-seqと分子遺伝学的な解析から、フロリゲンとサイトカイニンの情報伝達がOsFTL1で統合していることを発⾒した。フロリゲンはOsFTL1を活性化し、サイトカイニンはOsFTL1の発現を抑制していた。またOsFTL1は花序内で発現し、タンパク質が広がることがわかった。フロリゲンがFTL1を活性化し、サイトカイニンが抑制していた。
これらの検討を総合して考察では、位置情報に沿った細胞分裂や分化を担う分子と成長ステージの転換を担う分子について、それぞれの機能が影響しあうような具体的な分子実態について論じた。

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