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Tissue growth mechanics that shape plant organs

藤原, 基洋 大阪大学

2022.03.24

概要

多細胞生物の器官は個体間で同じ形を示す。器官の形は構成する組織の成長で決まる。植物は、細胞壁により細胞の隣接関係が固定され組織の流動性が低いので、細胞分裂や細胞伸長の方向と位置を制御して器官を形作る。実際に、細胞分裂の方向や位置が乱れた変異体では、根の形も崩れる。その細胞の分裂や伸長の方向と位置を制御する仕組みとして細胞にはたらく力学が注目されている。先行研究では、茎頂分裂組織において力の方向と細胞分裂や伸長の方向が対応することが示された。ただし、力のはたらきは細胞レベルの局所的な理解に限定されている。したがって、細胞の分裂や伸長による組織成長が、器官レベルでどのような力を働かせ器官を形作るのか理解は不十分である。この一因は、生体実験で器官レベルの力の測定が難しいことにあ る。そこで、私は現実の組織成長に則して器官の形作りを再現できる力学的な数理モデルを構築した。この数理モデルを用いることで、器官を形作る組織成長の規則とそこではたらく力を予測することができた。私の予測は実験との共同研究により定量的に検証された。

1つ目は根の先端形状の研究である(図 A)。根の先端は細胞分裂が活発に起こる根端分裂組織を含 み、ドーム形状を示す。まず定量解析により、シロイヌナズナの主根と側根のドーム形状は、サイズと形の個体間でのばらつきが小さく同じであることを確認した。私は、統計的モデル選択を用いて、このドーム形状がカテナリー曲線と一致することを発見した。カテナリー曲線は、アーチ橋など建築物に見られる力学的に安定な形状である。次に、根が、どのような組織成長によりカテナリー曲線へと形作られるのか予測するために、側根原基(図 A)の発生を観察した。側根原基の輪郭を定量した結果、輪郭は発生前期では個体間でばらつきが大きかったが、発生後期ではばらつきが小さくなりカテナリー曲線となることがわかった。カテナリー曲線を生成する力学モデルは、両端を固定して、一方向で均一な重力によって垂れた紐である。この力学モデルと整合する組織成長として、以下の 2つの発生過程の細胞の分裂や伸長が対応すると仮説を立てた。(1) 根の中心で一様かつ一方向に並層分裂や異方伸長する、および、(2)根の両端で分裂しない。私は側根原基の発生を模した数理モデルを構築し、これら 2 つの組織成長を導入することで、カテナリー形状の根が形成されることを示した。この時、カテナリー曲線を生成する一方向で均一な力が原基の表面全体にはたらいていた。一方で、これら 2 つの組織成長の異常をそれぞれ導入すると、ドーム形状が崩れることを示した。この数理モデルの予測は、分裂の領域が広がる puchi 変異体と分裂の方向が乱れる aurora 変異体を用いた遺伝子実験により実際にドーム形状が崩れることが検証された。これらの結果から、根の中心で一様かつ一方向に分裂して伸長する、および、根の両端で分裂しな い、という2つの組織成長が、根をカテナリー曲線へと形作ることを明らかにした。

2つ目の根の維管束組織の研究である。シロイヌナズナの根の維管束は、中央一列に導管となる木部細胞が、端の上下に篩管となる篩部細胞が、その間に前形成層細胞があり上下対称性を示す(図 B)。木部と前形成層の成す組織境界周りでは、細胞形状と配置が境界に偏って並んで境界が滑らかになる(図 B)。細胞の配置換えが無い植物組織において、細胞種間で滑らかな境界を形成する組織成長の規則は理解されていない。野生型では、細胞分裂が滑らかな境界に対して上下対称で離れた篩部細胞周辺で局所的に起きる。まず、私は維管束成長を模して数理モデルを構築し、この分裂を導入することで滑らかな境界の形成を再現した。その時の細胞にかかる応力を数理モデルで計算すると、境界周辺では、篩部周りの離れた対称的な分裂パターンに対応した境界に向かう圧縮応力がかかることを予測した。予測したこの異方的な圧縮は、レーザーを用いて境界周辺の細胞を破壊する実験により実際に見られることが検証された。従って、篩部の境界遠方で局所的に分裂することで滑らかな境界形成を実現する規則であるという仮説が立つ。一方で、野生型に対し有意に境界が滑らかではない HAN 変異体では、非局所的な分裂が起きていた。HAN 変異体の非局所的な分裂を数理モデルに導入した結果、境界が滑らかではなくなった。そこで、HAN 変異体のどの場所での分裂異常が境界の滑らかさをなくしているのか、構築した数理モデルに非局所的な分裂を様々な場所で導入することで検証した。その結果、境界周辺での分裂により境界の滑らかさがなくなった。また、境界に対して対称な篩部細胞周りの分裂のうち片方のみに側方領域への広がりを導入し非対称にすると、境界の滑らかさがなくなった。この両方で、境界へ向かう圧縮応力が乱れていることを確認した。このことから、境界から離れて局在し対称な場所での分裂が滑らかな境界形成に必要な規則であることを予測し検証した。これらの結果から、遺伝子発現により制御された分裂パターンが、そのパターンと対応した異方的な圧縮応力を介して、境界を上下対称的に滑らかにすることを明らかにした。

私は、植物器官の形作りの定量的な数理モデリングを通じて、器官を形作る組織成長の規則とそこではたらく力を予測し、実験で実証できる研究方法を確立した。

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