植物の卵细胞がつくられる様子を生きたまま観察することに成功 ～卵细胞をつくりだし受精を达成する仕组みの解明に期待～
2021.03.29
- プレスリリース
- 研究
植物の卵细胞がつくられる様子を生きたまま観察することに成功
～卵细胞をつくりだし受精を达成する仕组みの解明に期待～
横浜市立大学木原生物学研究所の須崎 大地 日本学術振興会特別研究員、同木原生物学研究所の丸山 大輔助教らの研究グループは国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所（WPI-ITbM）の栗原 大輔 特任講師（JSTさきがけ専任研究者）、東山 哲也 教授、中部大学応用生物学部の鈴木 孝征 准教授らとの共同研究で、植物の雌の配偶子である卵細胞がつくられる様子を生きたままリアルタイムで観察（ライブイメージング）できるシステムを開発しました。
被子植物は花の中で精细胞（动物での精子）と卵细胞（动物での卵子）が出会い、受精を行います。精细胞は花粉の中でつくられますが、卵细胞は胚珠と呼ばれる将来种子となる组织の中でつくられます。しかし、胚珠はめしべの奥深くに埋め込まれているため、これまで卵细胞がつくられる様子を生きたまま観察することはできませんでした。
研究グループは、以前开発していた胚珠培养技术を用いて、胚珠の中で卵细胞がつくられる様子を生きたまま映像として捉えることに成功しました。また、卵细胞や隣接する细胞を単离して、少数の细胞で発现する遗伝子を解析する手法を确立し、卵细胞に隣接する细胞が卵细胞へと细胞运命を変化させる様子を明らかにしました。
本研究成果は、卵细胞をつくりだし受精を达成する仕组みの解明や、育种?培养技术の开発につながると期待されます。
本研究成果は、2021年3月26日付（日本时间3月27日午前3时）米国科学雑誌『笔尝翱厂 叠颈辞濒辞驳测』电子版に掲载されました。
被子植物は花の中で精细胞（动物での精子）と卵细胞（动物での卵子）が出会い、受精を行います。精细胞は花粉の中でつくられますが、卵细胞は胚珠と呼ばれる将来种子となる组织の中でつくられます。しかし、胚珠はめしべの奥深くに埋め込まれているため、これまで卵细胞がつくられる様子を生きたまま観察することはできませんでした。
研究グループは、以前开発していた胚珠培养技术を用いて、胚珠の中で卵细胞がつくられる様子を生きたまま映像として捉えることに成功しました。また、卵细胞や隣接する细胞を単离して、少数の细胞で発现する遗伝子を解析する手法を确立し、卵细胞に隣接する细胞が卵细胞へと细胞运命を変化させる様子を明らかにしました。
本研究成果は、卵细胞をつくりだし受精を达成する仕组みの解明や、育种?培养技术の开発につながると期待されます。
本研究成果は、2021年3月26日付（日本时间3月27日午前3时）米国科学雑誌『笔尝翱厂 叠颈辞濒辞驳测』电子版に掲载されました。
研究成果のポイント
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研究の背景
有性生殖を行う生物は、雄と雌の配偶子*１が受精することによって、子孙を残します。雌の配偶子の场合、动物では、减数分裂によって生じた一倍体细胞が直接卵子（雌性配偶子）になりますが、多くの被子植物では、减数分裂によって生じた一倍体细胞（配偶体*２））は、さらに３回の核分裂を进行させ、多核体*３の状态で発生を続けます。その后、细胞分裂し、２つの配偶子である卵细胞?中央细胞、また花粉管を诱引する助细胞といった、それぞれ异なる役割を担う细胞をつくり出します（図１）。しかし、多核体细胞から７つの细胞へと分裂するときに、どのように精确に２つの雌性配偶子とそれ以外の细胞をつくり出しているのか、その详细はまだ明らかになっていません。细胞内の核の位置がそれぞれの细胞运命に重要だと考えられていますが、配偶子形成は花の奥深くにある胚珠の中で起こっているため、これまで一连の过程をリアルタイムで観察することが困难でした。研究グループは、これまでに配偶体の一部がむき出しになったトレニアという植物を用いてその発生过程の一部の観察に成功していましたが、全过程や细胞运命が决まる様子は不明でした。
図１ 动物と植物における雌の配偶子形成の模式図
减数分裂后の一倍体细胞は、动物では直接卵子となりますが、多くの被子植物では３回の核分裂を进行させ、多核体の状态で発生を続けます。８核になった后、细胞膜を形成することで（细胞化）、２つの配偶子である卵细胞?中央细胞、また花粉管を诱引する助细胞をつくり出します。
研究の内容
研究グループは、これまでに、モデル植物であるシロイヌナズナを用いて、将来种子となる母体组织（胚注*４）をめしべから取り出して、胚珠の中で受精卵の分裂と、それに続く胚発生を再现することに成功していました。今回、この胚珠培养技术を用いて、シロイヌナズナの雌性配偶子がつくられる様子を生きたままリアルタイムで観察することに成功しました。観察の结果、减数分裂によって生じた核は分裂して、细胞の両极へと离れていきました。さらに分裂した４つの核は、细胞の周縁部に沿って一列に并びました。そして８つの核に分裂后、细胞膜が形成し、それぞれ２つの配偶子（卵细胞と中央细胞）と付随する细胞がつくられていく様子が详细に明らかとなりました（図２）。１５７例、リアルタイムで観察したところ、配偶体细胞の花粉管が侵入する侧に近い核から、必ず助细胞?卵细胞?中央细胞となり、细胞内の核の位置とその后の细胞运命に非常に高い相関があることが改めて示されました。
図２ 配偶子形成过程のライブイメージング
緑色は细胞核を、ピンク色は细胞膜を、矢じりは配偶体细胞の核を示しています。配偶体细胞の中に核が２つある二核期から観察を始めており、四核期?八核期と核分裂を繰り返した后、细胞膜を形成し细胞化することで、配偶子である卵细胞?中央细胞、隣接する助细胞をつくります。数字は観察开始からの时间を表しています。
続いて、それぞれの细胞运命*５がいつ决定されるのかを明らかにするために、助细胞の分化と机能に重要な特异的転写因子であるＭＹＢ９８の発现开始时期を解析したところ、８核に分裂し细胞膜を形成した后、早い时期からＭＹＢ９８の発现が助细胞で検出されました。卵细胞特异的遗伝子も同様に早い时期から卵细胞で検出されたため、配偶子や助细胞の细胞运命は、细胞膜形成后ごく初期、あるいはそれよりも前に决まっている可能性が考えられます。
さらに研究グループは、myb98変异体において、助细胞内の核动态が不安定になり、细胞が肥大することを见いだしました。この核动态の异常が细胞运命にどのように影响しているのかを明らかにするために、配偶子や助细胞を単离し、遗伝子発现解析を行いました。配偶子や助细胞は胚珠の奥に埋め込まれているため、细胞特异的な遗伝子発现を调べるには、それぞれの细胞を綺丽に取り出して、限られた少数の细胞から発现する遗伝子の情报を得なければなりません。そこで、研究グループは顕微镜下で配偶子や助细胞を取り分けて、それぞれの遗伝子発现情报を解析する実験系を确立することで、各细胞の特异的遗伝子を明らかにしました（図３）。
さらに研究グループは、myb98変异体において、助细胞内の核动态が不安定になり、细胞が肥大することを见いだしました。この核动态の异常が细胞运命にどのように影响しているのかを明らかにするために、配偶子や助细胞を単离し、遗伝子発现解析を行いました。配偶子や助细胞は胚珠の奥に埋め込まれているため、细胞特异的な遗伝子発现を调べるには、それぞれの细胞を綺丽に取り出して、限られた少数の细胞から発现する遗伝子の情报を得なければなりません。そこで、研究グループは顕微镜下で配偶子や助细胞を取り分けて、それぞれの遗伝子発现情报を解析する実験系を确立することで、各细胞の特异的遗伝子を明らかにしました（図３）。
図３ シロイヌナズナの配偶子と助细胞の単离
胚珠を细胞壁分解酵素で処理することで配偶子と助细胞を単离する手法を确立しました。これにより蛍光タンパク质で标识した各细胞を顕微镜下で集めて遗伝子発现を调べることに成功しました。
myb98変异体の助细胞の遗伝子発现を野生型の助细胞と比べたところ、惊くべきことに、変异体の助细胞では多くの卵细胞特异的な遗伝子が高発现することが分かりました。そのうちのひとつである卵细胞特异的タンパク质ＳＢＴ４．１３の発现をmyb98変异体でリアルタイムに観察したところ、细胞膜形成后、卵细胞でＳＢＴ４．１３が検出された后、比较的早い时期に助细胞でＳＢＴ４．１３の异所的発现が见られました（図４）。
図４ 変异体助细胞における卵细胞特异的遗伝子の异所的発现
myb98変异体で卵细胞特异的タンパク质ＳＢＴ４．１３の発现を解析したところ、细胞化后、卵细胞で発现が検出されましたが、その后、助细胞で异所的発现が検出されました。数字は観察开始からの时间を表しています。
研究グループは、以前、トレニアという植物を用いて、卵细胞を破壊したときに、助细胞が卵细胞様の挙动を示すことを発见しています。今回の観察结果から、シロイヌナズナにおいて、助细胞へ分化できない细胞で卵细胞特异的遗伝子が発现していたことから、植物において、配偶体细胞运命の初期设定は配偶子であり、助细胞ではその运命が抑えられていること、配偶子に异常が见られたときには助细胞で抑えられていた配偶子の运命が発挥されると考えられます。
成果の意义
配偶子のような重要な细胞を维持するといったこれらの结果は、移动することのできない植物がさまざまな环境変化に対応するために柔软に细胞运命を変化させる、惊くべき生存戦略の一端を示した研究结果と言えます。今后は、どのように细胞の运命転换を诱导しているのか、分子メカニズムを明らかにしていくことが焦点になります。细胞の运命転换を可能にする分子メカニズムを明らかにすることで、受精効率の向上など、植物育种技术の开発への贡献も期待されます。
また、配偶子や助细胞の细胞运命はかなり早い段阶で决まっていますが、多核体细胞内の核の位置が细胞运命にどのように影响しているのかは依然として不明です。本研究成果により确立した、植物雌性配偶体のリアルタイム観察、细胞単离、少数细胞の遗伝子発现解析といった技术を駆使することで、世界中で植物配偶子研究が加速すると期待されます。
また、配偶子や助细胞の细胞运命はかなり早い段阶で决まっていますが、多核体细胞内の核の位置が细胞运命にどのように影响しているのかは依然として不明です。本研究成果により确立した、植物雌性配偶体のリアルタイム観察、细胞単离、少数细胞の遗伝子発现解析といった技术を駆使することで、世界中で植物配偶子研究が加速すると期待されます。
用语の説明
＊１ 配偶子
受精して次世代を产み出す生殖细胞のこと。植物の精细胞と卵细胞、动物では精子と卵子に该当する。
＊２ 配偶体
植物において配偶子をつくり生殖を行う世代の生物体。一倍体世代であり、雌の配偶体は胚のうとも呼ばれる。
＊３ 多核体
１つの细胞中に多数の核が存在する状态。一般的に细胞は１つの核をもつが、多核体となる细胞では、核が分裂しても细胞质は分裂しない细胞分裂を繰り返すことで、复数の核をもつ细胞になる。植物では初期の胚乳が多核体を形成する。
＊４ 胚珠
めしべの奥深くに位置する种子の元となる组织。胚珠の中にある卵细胞と花粉管によって运ばれてきた精细胞が受精することによって、受精卵がつくられる。その后、受精卵が分裂を繰り返し胚発生が进行する。
＊５ 细胞运命
ある细胞が将来どのような细胞种へ分化するのかという运命のこと。
受精して次世代を产み出す生殖细胞のこと。植物の精细胞と卵细胞、动物では精子と卵子に该当する。
＊２ 配偶体
植物において配偶子をつくり生殖を行う世代の生物体。一倍体世代であり、雌の配偶体は胚のうとも呼ばれる。
＊３ 多核体
１つの细胞中に多数の核が存在する状态。一般的に细胞は１つの核をもつが、多核体となる细胞では、核が分裂しても细胞质は分裂しない细胞分裂を繰り返すことで、复数の核をもつ细胞になる。植物では初期の胚乳が多核体を形成する。
＊４ 胚珠
めしべの奥深くに位置する种子の元となる组织。胚珠の中にある卵细胞と花粉管によって运ばれてきた精细胞が受精することによって、受精卵がつくられる。その后、受精卵が分裂を繰り返し胚発生が进行する。
＊５ 细胞运命
ある细胞が将来どのような细胞种へ分化するのかという运命のこと。
论文情报
雑誌名：PLoS Biology
論文タイトル：Dynamics of the cell fate specifications during female gametophyte development in Arabidopsis （シロイヌナズナ雌性配偶体形成における細胞運命決定のダイナミクス）
著者：Daichi Susaki, Takamasa Suzuki, Daisuke Maruyama, Minako Ueda, Tetsuya Higashiyama, Daisuke Kurihara
（須崎 大地、鈴木 孝征、丸山 大輔、植田 美那子、東山 哲也、栗原 大輔）
ＤＯＩ：
論文タイトル：Dynamics of the cell fate specifications during female gametophyte development in Arabidopsis （シロイヌナズナ雌性配偶体形成における細胞運命決定のダイナミクス）
著者：Daichi Susaki, Takamasa Suzuki, Daisuke Maruyama, Minako Ueda, Tetsuya Higashiyama, Daisuke Kurihara
（須崎 大地、鈴木 孝征、丸山 大輔、植田 美那子、東山 哲也、栗原 大輔）
ＤＯＩ：
着者所属
名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所 東山 哲也、栗原 大輔
JSTさきがけ 栗原 大輔
名古屋大学大学院理学研究科 植田 美那子、東山 哲也
東京大学大学院理学系研究科 東山 哲也
横浜市立大学木原生物学研究所 須崎 大地、丸山 大輔
中部大学応用生物学部 鈴木 孝征
JSTさきがけ 栗原 大輔
名古屋大学大学院理学研究科 植田 美那子、東山 哲也
東京大学大学院理学系研究科 東山 哲也
横浜市立大学木原生物学研究所 須崎 大地、丸山 大輔
中部大学応用生物学部 鈴木 孝征
