花粉管は核がなくても胚珠に辿り着く ～世界で初めて核を持たない花粉管の作出に成功～
2021.04.23
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- 研究
- 理学部
花粉管は核がなくても胚珠に辿り着く
～世界で初めて核を持たない花粉管の作出に成功～
横浜市立大学の丸山大輔 助教、立命馆大学の元村一基 助教らの研究チームは、名古屋大学との共同研究により、モデル植物シロイヌナズナを用いることで、世界で初めて細胞質中に“細胞核”が存在しない花粉管を作出することに成功しました。さらにこの細胞核を除いた花粉管（オス）が、核を持つ正常な花粉管と同様に、雌しべの奥にある生殖器官の “胚珠*1（メス）&谤诲辩耻辞;へ正确に辿り着く能力を保持していることを明らかにしました（図1）。
细胞核は高校生物の教科书の冒头で绍介される、遗伝子の発现をつかさどる存在です。花粉管でも常に先端にある核が、花粉管の长距离に渡る伸长や正确な伸长方向制御に必要であると考えられてきました。こうした常识を覆し、细胞核からの新规の遗伝子発现を必要とせず胚珠へと方向転换して、胚珠内の卵细胞へ辿り着く能力を保持していることが示されました。
本研究成果は、2021年4月22日10時（英国夏時間）、英国Natureグループが発行するオンライン科学誌「Nature Communications」に掲載されました。
细胞核は高校生物の教科书の冒头で绍介される、遗伝子の発现をつかさどる存在です。花粉管でも常に先端にある核が、花粉管の长距离に渡る伸长や正确な伸长方向制御に必要であると考えられてきました。こうした常识を覆し、细胞核からの新规の遗伝子発现を必要とせず胚珠へと方向転换して、胚珠内の卵细胞へ辿り着く能力を保持していることが示されました。
本研究成果は、2021年4月22日10時（英国夏時間）、英国Natureグループが発行するオンライン科学誌「Nature Communications」に掲載されました。
研究成果のポイント
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図1 細胞核を持たない花粉管も胚珠を目指す
花粉管の伸长能力を调べるために、培地上に置いた胚珠に花粉管が诱引されるかどうか调べた。
左：野生株の场合、雌しべの切り口から伸びた花粉管は胚珠へ向かって方向を変えて进入する。
右：wit1/wit2変异体でcals3mを発现させた花粉管では、2つ精细胞と栄养核が基部侧から动かず细胞壁の隔壁によって闭じ込められた状态になる。しかし花粉管は本来の伸长能力を失わず、野生株と同様胚珠に进入する。
研究の背景
动植物の细胞が形を変えるにはその変化に合わせて遗伝子の発现が変动することが重要であると考えられています。したがって花粉管が胚珠へ向かう最中も、その伸长とともに多くの遗伝子の発现が変动することで&濒诲辩耻辞;花粉管が胚珠まで到达する能力&谤诲辩耻辞;が制御されていると考えられてきました。
これらの遗伝子発现は&濒诲辩耻辞;细胞核&谤诲辩耻辞;の中で行われますが、花粉管には、花粉管细胞の核である&濒诲辩耻辞;栄养核&谤诲辩耻辞;と、花粉管中に内包される精细胞の核である2个の&濒诲辩耻辞;精核&谤诲辩耻辞;、合计3つの细胞核が含まれています（図２）。これらの细胞核がどのように花粉管の伸长を制御しているのかを明らかにするためには、それぞれの细胞核を欠损させる方法が一般的に考えられます。しかし花粉管の中は膨圧が高く维持されているため、レーザーなどを用いて细胞核を人工的に除去しようとしても花粉管自体が破裂してしまいます。そのため过去に花粉管伸长における细胞核の机能を検証できた例はほとんどありませんでした。
これらの遗伝子発现は&濒诲辩耻辞;细胞核&谤诲辩耻辞;の中で行われますが、花粉管には、花粉管细胞の核である&濒诲辩耻辞;栄养核&谤诲辩耻辞;と、花粉管中に内包される精细胞の核である2个の&濒诲辩耻辞;精核&谤诲辩耻辞;、合计3つの细胞核が含まれています（図２）。これらの细胞核がどのように花粉管の伸长を制御しているのかを明らかにするためには、それぞれの细胞核を欠损させる方法が一般的に考えられます。しかし花粉管の中は膨圧が高く维持されているため、レーザーなどを用いて细胞核を人工的に除去しようとしても花粉管自体が破裂してしまいます。そのため过去に花粉管伸长における细胞核の机能を検証できた例はほとんどありませんでした。
研究の内容
当初、我々の研究グループでは、精细胞に细胞壁成分が乏しいことに着目し、これが精细胞の正常な机能に重要なのではと考えました。そこで、细胞壁构成成分のひとつであるカロース*2を过剰に合成する能力をもつ変异型酵素の遗伝子cals3m*3 を精细胞で発现させて机能解析を试みたところ、兴味深いことに精细胞の输送が阻害され花粉管基部付近に留まることが分かりました（図２）。我々はこの现象が花粉管伸长における细胞核の机能の検証に使えると考え、栄养核の输送异常を示すwit1/wit2*4変异体でcals3mによる精细胞の输送异常を诱导したところ、细胞核全てが花粉管基部に残されて先端侧に核を持たない花粉管を作出することに成功しました（図３）。
このcals3mを発现するwit1/wit2変异体の花粉管では、伸び始めてから数时间で花粉管内に作られる细胞壁の隔壁が３つの细胞核を花粉管先端から完全に分断します。そのため、先端侧に遗伝子発现产物は供给されなくなります（図３）。しかし、惊くべきことにこの状态でもcals3mを発现するwit1/wit2変异体の花粉管は、野生型の花粉管と逊色なく伸长を続け、卵细胞のある胚珠の位置を认识して正确にその中に进入できました（図１）。以上の结果より、花粉管は细胞核に頼らずに胚珠を目指す潜在能力を持つことがわかりました。
このcals3mを発现するwit1/wit2変异体の花粉管では、伸び始めてから数时间で花粉管内に作られる细胞壁の隔壁が３つの细胞核を花粉管先端から完全に分断します。そのため、先端侧に遗伝子発现产物は供给されなくなります（図３）。しかし、惊くべきことにこの状态でもcals3mを発现するwit1/wit2変异体の花粉管は、野生型の花粉管と逊色なく伸长を続け、卵细胞のある胚珠の位置を认识して正确にその中に进入できました（図１）。以上の结果より、花粉管は细胞核に頼らずに胚珠を目指す潜在能力を持つことがわかりました。
図２ 植物の受精と花粉管の構造
左：花粉が雄しべの先端に受粉すると、细长い花粉管が伸び始める。雌しべの奥深くの胚珠まで伸长すると、花粉管中の精细胞を胚珠内に放出して受精する。右：花粉管の先端侧では、栄养核とそれに连なった2つの精细胞が存在する。一方基部侧では、伸长にともなって细胞壁の隔壁が一定间隔で作られ、ほとんどの细胞内构造を、活発に伸长する先端侧に维持している。
図３ 野生株と変異体のシロイヌナズナの花粉管の構造
① 野生株では栄養核と２つの精細胞が花粉管の先端に位置する。② cal3mを発现すると２つの精細胞は基部側に留まる。
③ 逆にwit1/wit2変异体では、栄養核が基部側に留まる。
④ さらに、wit1/wit2変异体でcals3mを発现すると、栄養核も精細胞もともに基部側に留まり、先端に細胞核が存在しない花粉管になる。
今后の展开
本研究でわかった花粉管机能の自立性は、様々な环境条件でも変わらずに子孙を残す花粉管の仕组みの理解に役立つでしょう。また、cals3mを発现させることで精细胞の输送异常を引き起こせることがわかり、この花粉管を用いて精细胞の输送メカニズムの解明が进むと期待されます。更に、精细胞の移动异常をもつ花粉管を受け入れた胚珠は、デンプンに代わり砂糖を贮めるイネの未授精胚珠に似た肥大を示すこともわかり、今后、本研究が様々な植物で砂糖を生产させるために役立つかもしれません。
用语説明
*1 胚珠：
花粉管を受け入れた后に种子になるメス侧の组织。卵细胞や中央细胞といった配偶子を含む复数の细胞からなっている。
*2 カロース：
高等植物が持つ多糖の一种。その构造からβ-1,3-グルカンとも呼ばれる。植物细胞の细胞壁构成成分の一种であり、蓄积量を変化させることで细胞壁の硬さや细胞间の分子の流入量を调节する役目を持つ。
*3 cals3m：
シロイヌナズナのカロース合成酵素 CALLOSE SYNTHASE3 (CALS3)/GLUCAN SYNTHASE-LIKE12 (GSL12)に数塩基の変異を加えることで、過剰にカロースを合成する能力が備わった酵素。cals3mが発现する细胞では过剰量のカロースが堆积する。
*4 wit1/wit2：
WPP domain-interacting tail anchored protein 1とWPP domain-interacting tail anchored protein 2の変異体の略称。２種類のタンパク質（WIT1/WIT2）は栄養核膜上に局在し、花粉管内の細胞骨格に沿って物質を運ぶミオシンというモータータンパク質に結合することで、花粉管内における栄養核の輸送に関わっていると考えられている。
花粉管を受け入れた后に种子になるメス侧の组织。卵细胞や中央细胞といった配偶子を含む复数の细胞からなっている。
*2 カロース：
高等植物が持つ多糖の一种。その构造からβ-1,3-グルカンとも呼ばれる。植物细胞の细胞壁构成成分の一种であり、蓄积量を変化させることで细胞壁の硬さや细胞间の分子の流入量を调节する役目を持つ。
*3 cals3m：
シロイヌナズナのカロース合成酵素 CALLOSE SYNTHASE3 (CALS3)/GLUCAN SYNTHASE-LIKE12 (GSL12)に数塩基の変異を加えることで、過剰にカロースを合成する能力が備わった酵素。cals3mが発现する细胞では过剰量のカロースが堆积する。
*4 wit1/wit2：
WPP domain-interacting tail anchored protein 1とWPP domain-interacting tail anchored protein 2の変異体の略称。２種類のタンパク質（WIT1/WIT2）は栄養核膜上に局在し、花粉管内の細胞骨格に沿って物質を運ぶミオシンというモータータンパク質に結合することで、花粉管内における栄養核の輸送に関わっていると考えられている。
论文情报
タイトル：&濒诲辩耻辞;Persistent directional growth capability in Arabidopsis thaliana pollen tubes after nuclear elimination from the apex”
（シロイヌナズナ花粉管は无核の状态でも正常に伸长して胚珠へ到达する能力を保持している）
著者：元村 一基、武内 秀憲、野田口 理孝、土 春菜、竹田 篤史、木下 哲、東山 哲也、丸山 大輔
掲載雑誌：Nature Communications
顿翱滨：
（シロイヌナズナ花粉管は无核の状态でも正常に伸长して胚珠へ到达する能力を保持している）
著者：元村 一基、武内 秀憲、野田口 理孝、土 春菜、竹田 篤史、木下 哲、東山 哲也、丸山 大輔
掲載雑誌：Nature Communications
顿翱滨：
研究费
本研究は、JST戦略的創造研究推進事業さきがけ研究領域「植物分子の機能と制御」、日本学術振興会（JSPS）科研費（16H06173, 16H06464, 16H06465, 16J02257, 16K21727, JP16H06280, 17H05846, 19H04869, 19K23759, 20H03280, 20K21432, 20H05422, 20H05778, 20H05781, 20K15822）、笹川科学研究助成, 第3期 R-GIRO研究プログラムの支援を受けて実施されました。
研究体制
横浜市立大学 木原生物学研究所
助教 丸山 大辅
立命馆大学
助教 元村 一基
名古屋大学
特任助教 武内 秀宪
准教授 野田口 理孝
教授 东山 哲也
助教 丸山 大辅
立命馆大学
助教 元村 一基
名古屋大学
特任助教 武内 秀宪
准教授 野田口 理孝
教授 东山 哲也
问い合わせ先
横浜市立大学 広報課
贰-尘补颈濒：koho@yokohama-cu.ac.jp
