コムギの光合成は2段阶の叶緑体発生过程を経て成立する －葉の成長過程における詳細な遺伝子発現マップを作成－
2021.05.25
- プレスリリース
- 研究
コムギの光合成は2段阶の叶緑体発生过程を経て成立する
?叶の成长过程における详细な遗伝子発现マップを作成?
理化学研究所（理研）环境资源科学研究センターバイオ生产情报研究チームの持田恵一チームリーダー（横浜市立大学大学院客员教授）、高萩航太郎大学院生リサーチ?アソシエイト（研究当时、横浜市立大学大学院生命ナノシステム科学研究科）、ロンドン大学ロイヤル?ホロウェイ校のエンリケ?ロペス准教授らの国际共同研究チーム※は、パンコムギ（コムギ）の叶の発生过程について详しく调べ、コムギの光合成机能は、2段阶の叶緑体発生过程（色素体[1]増殖期と叶緑体成长期）を経て成立することを明らかにしました。
本研究成果は、作物の収穫高に影响する叶の発生や光合成机能の理解、および作物の生产性向上に有用な遗伝子の同定や育种に贡献すると期待できます。
今回、国际共同研究チームは、コムギの叶の成长方向に沿って、细胞の大きさ、叶緑体が细胞内に占める割合や叶緑体ゲノムのコピー数の変化といった细胞学的な観察を行い、叶原基细胞や叶肉细胞[2]とその内部で発达する叶緑体の状态から、コムギの叶の発生过程を15段阶に分类しました。そして、各発生段阶の叶组织について、叶緑体の分化と発达、细胞分裂の周期、タンパク质?遗伝子発现などの観点から调査しました。これらのデータを统合して、各発生段阶を特徴付けるとともに、コムギの叶の発生に関してはこれまでで最も网罗的かつ详细な遗伝子発现マップを作成しました。さらに、各発生段阶において特徴的な细胞学的な変化と遗伝子発现状态から、コムギの叶における光合成机能が2段阶の叶緑体の発生过程を経て成立することを明らかにしました。
本研究は、科学雑誌『Genome Biology』オンライン版（5月11日付）に掲載されました。
本研究成果は、作物の収穫高に影响する叶の発生や光合成机能の理解、および作物の生产性向上に有用な遗伝子の同定や育种に贡献すると期待できます。
今回、国际共同研究チームは、コムギの叶の成长方向に沿って、细胞の大きさ、叶緑体が细胞内に占める割合や叶緑体ゲノムのコピー数の変化といった细胞学的な観察を行い、叶原基细胞や叶肉细胞[2]とその内部で発达する叶緑体の状态から、コムギの叶の発生过程を15段阶に分类しました。そして、各発生段阶の叶组织について、叶緑体の分化と発达、细胞分裂の周期、タンパク质?遗伝子発现などの観点から调査しました。これらのデータを统合して、各発生段阶を特徴付けるとともに、コムギの叶の発生に関してはこれまでで最も网罗的かつ详细な遗伝子発现マップを作成しました。さらに、各発生段阶において特徴的な细胞学的な変化と遗伝子発现状态から、コムギの叶における光合成机能が2段阶の叶緑体の発生过程を経て成立することを明らかにしました。
本研究は、科学雑誌『Genome Biology』オンライン版（5月11日付）に掲載されました。
コムギの叶の発生过程（15段阶）
※国际共同研究チーム
理化学研究所 環境資源科学研究センター バイオ生産情報研究チーム
チームリーダー 持田 恵一 （もちだ けいいち）
（横浜市立大学大学院客員教授）
大学院生リサーチ?アソシエイト（研究当时）
高萩 航太郎（たかはぎ こうたろう）
（横浜市立大学大学院 生命ナノシステム科学研究科（研究当时））
テクニカルスタッフⅠ 山口(上原) 由紀子（やまぐち(うえはら) ゆきこ）
テクニカルスタッフ（研究当时）
井上 小槙 （いのうえ こまき）
ロンドン大学ロイヤル?ホロウェイ校
准教授 エンリケ?ロペス（Enrique López-Juez）
リサーチ?アソシエイト ナレシュ?ロウディヤ（Naresh Loudya）
大学院生 プリアンカ?ミシュラ（Priyanka Mishra）
教授 ラズロ?ボグレ（Laszlo Bogre）
研究支援
本研究の一部は、日本学術振興会（JSPS）科学研究费補助金若手研究（A）「全ゲノム情報に基づくゲノム倍数性進化過程の再構築（研究代表者：持田恵一）」および科学技術振興機構（JST）戦略的基礎研究創造事業CREST「環境変動に対する植物の頑健性の解明と応用に向けた基盤技術の創出」の研究課題「データ科学に基づく作物設計基盤技術の構築（研究代表者：平山隆志）」の支援を受けて実施しました。
理化学研究所 環境資源科学研究センター バイオ生産情報研究チーム
チームリーダー 持田 恵一 （もちだ けいいち）
（横浜市立大学大学院客員教授）
大学院生リサーチ?アソシエイト（研究当时）
高萩 航太郎（たかはぎ こうたろう）
（横浜市立大学大学院 生命ナノシステム科学研究科（研究当时））
テクニカルスタッフⅠ 山口(上原) 由紀子（やまぐち(うえはら) ゆきこ）
テクニカルスタッフ（研究当时）
井上 小槙 （いのうえ こまき）
ロンドン大学ロイヤル?ホロウェイ校
准教授 エンリケ?ロペス（Enrique López-Juez）
リサーチ?アソシエイト ナレシュ?ロウディヤ（Naresh Loudya）
大学院生 プリアンカ?ミシュラ（Priyanka Mishra）
教授 ラズロ?ボグレ（Laszlo Bogre）
研究支援
本研究の一部は、日本学術振興会（JSPS）科学研究费補助金若手研究（A）「全ゲノム情報に基づくゲノム倍数性進化過程の再構築（研究代表者：持田恵一）」および科学技術振興機構（JST）戦略的基礎研究創造事業CREST「環境変動に対する植物の頑健性の解明と応用に向けた基盤技術の創出」の研究課題「データ科学に基づく作物設計基盤技術の構築（研究代表者：平山隆志）」の支援を受けて実施しました。
１．背景
世界の人口は、2055年には100亿人を超えると予想され、食料増产が求められるなか、作物の生产性の向上が课题となっています。コムギ、イネ、トウモロコシといった主要な穀物の生产性（収量性）は、光合成によって炭水化物を作る能力（ソース能）と、作った炭水化物を贮蔵する能力（シンク能）で决まるため、光合成能力の强化は収量性の高い作物の开発につながると考えられています。
コムギやイネといったイネ科植物の叶は、叶の基部から先端部に向かって発生が进むため、先端部に向かうほど発生の进んだ细胞で构成されていることが知られています。これを生かして、これまでにもイネ科植物の叶の基部から先端部に向かって叶组织を観察することで、発生に伴う时间的な変化が调べられてきました。しかし、叶の基部の茎顶组织に存在する分裂组织（メリステム）[3]から叶の原基组织が発生し先端に向かって成熟する过程における、叶緑体の発生过程と遗伝子発现の関係の全体像は未解明でした。
コムギやイネといったイネ科植物の叶は、叶の基部から先端部に向かって発生が进むため、先端部に向かうほど発生の进んだ细胞で构成されていることが知られています。これを生かして、これまでにもイネ科植物の叶の基部から先端部に向かって叶组织を観察することで、発生に伴う时间的な変化が调べられてきました。しかし、叶の基部の茎顶组织に存在する分裂组织（メリステム）[3]から叶の原基组织が発生し先端に向かって成熟する过程における、叶緑体の発生过程と遗伝子発现の関係の全体像は未解明でした。
２．研究手法と成果
国际共同研究チームはまず、パンコムギ（コムギ）の叶の基部から先端部にわたる细胞を详しく観察しました。コムギ叶の基部には、未分化の色素体である原色素体（プロプラスチド）[4]を持つ未分化な细胞や叶原基细胞が存在しています。
また、先端部に向かうにつれて细胞内の色素体や叶緑体の数や大きさが変わり、成熟した叶肉细胞へと変化していきます。そこで、コムギの叶の基部から先端部における细胞について、その形态とともに原色素体や叶緑体の数や大きさを定量し、叶の発生过程を15段阶（ステージ）に分类?定义しました（図1）。
また、先端部に向かうにつれて细胞内の色素体や叶緑体の数や大きさが変わり、成熟した叶肉细胞へと変化していきます。そこで、コムギの叶の基部から先端部における细胞について、その形态とともに原色素体や叶緑体の数や大きさを定量し、叶の発生过程を15段阶（ステージ）に分类?定义しました（図1）。
図1 コムギの葉の15段階にわたる発生過程 a) 発芽6日後の葉の基部から取り出した茎頂組織のサンプル。スケールバーは5mm。 b) 葉鞘と葉身を内部の形態的細胞な変化(e)に沿って13段階に分けた組織。スケールバーは10mm。 c) 発芽14日後の完成した葉 。スケールバーは10mm。 d) 葉の発生過程を15段階の組織について、顕微鏡画像および細胞周期の定量を行うとともに、DNA、RNA、タンパク質を抽出し、分子生物学的な解析を行った。 e) 葉の発生過程を15段階の組織で観察される細胞の顕微鏡画像。スケールバーは25μm。写真左上の数字は葉の発生段階の組織に対応する。
各段阶の组织について、细胞や叶緑体の形态を调べるための顕微镜画像、および叶緑体ゲノムのコピー数の変化を调べるための组织サンプルを収集するとともに、遗伝子の働きを调べるための搁狈础やタンパク质を抽出し、叶肉细胞の発生过程のどの段阶でどのような変化が细胞内で起きているかを详细に调査するための试料を整备しました（図1诲）。
まず、叶の発生段阶の各搁狈础试料を搁狈础-蝉别辩法[5]により解析し、コムギゲノム上に见いだされた10万个あまりの遗伝子のうち、叶の発生段阶で発现変动を示す约4万个の発现时期と発现量を明らかにしました。そしてこれらの遗伝子の発现や生物的机能が、叶肉细胞の分化と発达に沿って移り変わる轨跡（発生过程のトラジェクトリ[6]）を初めて可视化しました（図2）。
まず、叶の発生段阶の各搁狈础试料を搁狈础-蝉别辩法[5]により解析し、コムギゲノム上に见いだされた10万个あまりの遗伝子のうち、叶の発生段阶で発现変动を示す约4万个の発现时期と発现量を明らかにしました。そしてこれらの遗伝子の発现や生物的机能が、叶肉细胞の分化と発达に沿って移り変わる轨跡（発生过程のトラジェクトリ[6]）を初めて可视化しました（図2）。
図2 遺伝子発現状態に基づいて描いたコムギの葉の発生過程のトラジェクトリ a) コムギの葉の発生過程で発現が変動する約4万個の遺伝子の発現データを主成分分析することによって、各段階（ステージ）のサンプルの類似性を描画した、遺伝子発現から見た発生過程のトラジェクトリ。それぞれの点が、一つのサンプルに対応し、横軸は第一主成分軸、縦軸は第二主成分軸を示す主成分分析の結果で、距離が近い点ほどサンプル間での遺伝子発現が類似していると考えられる。 b) 15段階の組織における発現パターンの類似性に基づいて、コムギ葉の発生過程で発現が変動する約4万個の遺伝子をグループ化し、発生ステージに沿うように並べた発現強度のヒートマップ（遺伝子発現マップの概観）。赤色が濃いほど、それぞれの遺伝子が15ステージの中で相対的に多く発現していることを示す。発現パターンの類似性に基づくグルーピングでは、大きく12の遺伝子グループに分類された（左端灰色の縦帯図の数字に対応）。
次に、各段阶の组织について、细胞周期、细胞の大きさ、细胞当たりの色素体または叶緑体の数、细胞当たりの色素体または叶緑体の占める面积、色素体または叶緑体のゲノム顿狈础量、色素体または叶緑体リボソーム[7]と细胞质リボソーム量の比などの量的な変化を调査しました。これらの调査结果を统合して解析した结果、叶肉细胞が成熟して光合成が成立するまでの过程は2段阶に分かれることが明らかになりました（図3）。
その2段階とは、細胞内の色素体が分裂することで、数が増加するステージ1～7の「色素体増殖期」と、細胞内で葉緑体が肥大化して細胞質の空間を埋めながら発達するステージ8以降の「葉緑体発達期」です（図3 a, b）。色素体と葉緑体の発達に関連するとされる遺伝子の発現の多寡は、ステージ8でちょうど入れ替わっていることからも、遺伝子発現制御による秩序だった発生の転換があることが示されました（図3c）。また、光合成に関連すると考えられる制御因子の遺伝子の発現パターンを重ね合わせることで、それぞれのステージでどのような遺伝子が制御されているかを推定しました（図3d）。
その2段階とは、細胞内の色素体が分裂することで、数が増加するステージ1～7の「色素体増殖期」と、細胞内で葉緑体が肥大化して細胞質の空間を埋めながら発達するステージ8以降の「葉緑体発達期」です（図3 a, b）。色素体と葉緑体の発達に関連するとされる遺伝子の発現の多寡は、ステージ8でちょうど入れ替わっていることからも、遺伝子発現制御による秩序だった発生の転換があることが示されました（図3c）。また、光合成に関連すると考えられる制御因子の遺伝子の発現パターンを重ね合わせることで、それぞれのステージでどのような遺伝子が制御されているかを推定しました（図3d）。
図3 コムギの葉の発生過程における細胞と遺伝子発現の変化 a-b) aは各ステージの細胞の画像解析から定量した細胞当たりの色素体または葉緑体の数の変化。bは細胞内に占める色素体または葉緑体の面積。色素体はステージ1から5にかけて細胞内で増加し、ステージ7まででほぼ最大化し、ステージ8以降、葉緑体に発達することが分かった。 c) 色素体と葉緑体の発生に関連する遺伝子の発現は、ステージ8で入れ替わる。 d) 光合成機能に関連すると考えられている制御因子の発現。
３．今后の期待
本研究により、主要作物でもあるコムギの叶の発生过程の详细な遗伝子発现マップが作成されました。この遗伝子発现マップは、光合成机能が成立する过程の叶の遗伝子発现解析では、最も解像度の高いものといえます。さらに、各発生段阶の组织についての细胞学的な定量解析结果との统合により、作物の収量性にも重要な光合成机能の成立过程において、どのような変化がいつ起こるかという参照情报として（図4）、コムギをはじめ、イネやトウモロコシといったイネ科作物の光合成机能を向上させる研究に有用な知见を与えると期待できます。
なお本研究は、主要作物の光合成機能向上により収量性向上を目指した育種等のための基盤的な情報を提供することで、国際連合が掲げる「持続可能な開発目標 (SDGs) [8]」のうち「2.飢饿をゼロに」および「15.陆の豊かさも守ろう」への贡献が期待できる成果といえます。
なお本研究は、主要作物の光合成機能向上により収量性向上を目指した育種等のための基盤的な情報を提供することで、国際連合が掲げる「持続可能な開発目標 (SDGs) [8]」のうち「2.飢饿をゼロに」および「15.陆の豊かさも守ろう」への贡献が期待できる成果といえます。
図4 本研究で明らかになったコムギの葉の発生過程における細胞内の変化 コムギの葉の発生過程を15段階 に沿って、細胞レベル?色素体または葉緑体レベル?遺伝子発現レベルの変化を示した。
４．论文情报
＜タイトル＞
Cellular and transcriptomic analyses reveal two-staged chloroplast biogenesis underpinning photosynthesis build-up in the wheat leaf
＜着者名＞
Naresh Loudya, Priyanka Mishra, Kotaro Takahagi, Yukiko Uehara-Yamaguchi, Komaki Inoue, Laszlo Bogre, Keiichi Mochida, Enrique López-Juez
＜雑誌＞
Genome Biology
＜顿翱滨＞
Cellular and transcriptomic analyses reveal two-staged chloroplast biogenesis underpinning photosynthesis build-up in the wheat leaf
＜着者名＞
Naresh Loudya, Priyanka Mishra, Kotaro Takahagi, Yukiko Uehara-Yamaguchi, Komaki Inoue, Laszlo Bogre, Keiichi Mochida, Enrique López-Juez
＜雑誌＞
Genome Biology
＜顿翱滨＞
５．补足説明
[1] 色素体
植物や藻类などの细胞に存在し、光合成、物质の贮蔵、化合物の合成などを担う细胞小器官の総称。そのうち、形态や机能を分化させ、光合成色素を含み光合成を行うものが叶緑体である。
[2] 葉肉細胞
植物の叶の表皮细胞层の内侧にある细胞で、细胞内に多数の叶緑体を持ち、光合成を行っている。
[3] 分裂組織（メリステム）
植物において、细胞分裂を活発に行い、未分化な细胞で构成されている组织のこと。茎侧の分裂组织のことを茎顶分裂组织（茎顶メリステム）と呼び、その周辺部から叶の组织に分化する叶原基が発生する。
[4] 原色素体（プロプラスチド）
植物の茎や根の先端にある分裂组织の细胞に含まれている小さな色素体のこと。叶が発生して成长するのに伴い、叶緑体へと形态を変える。
[5] RNA-seq法
细胞内で発现する遗伝子の転写物である搁狈础分子を、网罗的に定量することで、どのような遗伝子がどれくらい働いているか（発现しているか）を调べる方法。
[6] 発生過程のトラジェクトリ
生物の発生や成长など、时间変化に沿って徐々に変化する生物の状态の変化のパターンを轨跡（トラジェクトリ）として表现したもの。网罗的な遗伝子発现データなどの、生物の细胞内の状态によって変动する多様な分子の変动データを、主成分分析などの次元削减することで描画されることが多い。
[7] リボソーム
细胞におけるタンパク质合成を行う酵素复合体で、リボソームタンパク质とリボソーム搁狈础（谤搁狈础）で构成されている。植物の细胞では、核?叶緑体?ミトコンドリアの3种の细胞内小器官それぞれに别々の谤搁狈础遗伝子があり、核で合成された谤搁狈础が细胞质细胞质のリボソーム合成に、叶緑体とミトコンドリアではそれぞれの细胞小器官で谤搁狈础合成とリボソーム合成が行われる。本研究では、细胞质谤搁狈础と叶緑体谤搁狈础の量比を调べることで、叶の発生に伴う叶緑体のタンパク质合成机能の変化を调査した。
[8] 持続可能な開発目標（SDGs）
2015年9月の国连サミットで採択された「持続可能な开発のための2030アジェンダ」にて记载された2016年から2030年までの国际目标。持続可能な世界を実现するための17のゴール、169のターゲットから构成され、発展途上国のみならず，先进国自身が取り组むユニバーサル（普遍的）なものであり、日本としても积极的に取り组んでいる（外务省ホームページから一部改変して転载）。
植物や藻类などの细胞に存在し、光合成、物质の贮蔵、化合物の合成などを担う细胞小器官の総称。そのうち、形态や机能を分化させ、光合成色素を含み光合成を行うものが叶緑体である。
[2] 葉肉細胞
植物の叶の表皮细胞层の内侧にある细胞で、细胞内に多数の叶緑体を持ち、光合成を行っている。
[3] 分裂組織（メリステム）
植物において、细胞分裂を活発に行い、未分化な细胞で构成されている组织のこと。茎侧の分裂组织のことを茎顶分裂组织（茎顶メリステム）と呼び、その周辺部から叶の组织に分化する叶原基が発生する。
[4] 原色素体（プロプラスチド）
植物の茎や根の先端にある分裂组织の细胞に含まれている小さな色素体のこと。叶が発生して成长するのに伴い、叶緑体へと形态を変える。
[5] RNA-seq法
细胞内で発现する遗伝子の転写物である搁狈础分子を、网罗的に定量することで、どのような遗伝子がどれくらい働いているか（発现しているか）を调べる方法。
[6] 発生過程のトラジェクトリ
生物の発生や成长など、时间変化に沿って徐々に変化する生物の状态の変化のパターンを轨跡（トラジェクトリ）として表现したもの。网罗的な遗伝子発现データなどの、生物の细胞内の状态によって変动する多様な分子の変动データを、主成分分析などの次元削减することで描画されることが多い。
[7] リボソーム
细胞におけるタンパク质合成を行う酵素复合体で、リボソームタンパク质とリボソーム搁狈础（谤搁狈础）で构成されている。植物の细胞では、核?叶緑体?ミトコンドリアの3种の细胞内小器官それぞれに别々の谤搁狈础遗伝子があり、核で合成された谤搁狈础が细胞质细胞质のリボソーム合成に、叶緑体とミトコンドリアではそれぞれの细胞小器官で谤搁狈础合成とリボソーム合成が行われる。本研究では、细胞质谤搁狈础と叶緑体谤搁狈础の量比を调べることで、叶の発生に伴う叶緑体のタンパク质合成机能の変化を调査した。
[8] 持続可能な開発目標（SDGs）
2015年9月の国连サミットで採択された「持続可能な开発のための2030アジェンダ」にて记载された2016年から2030年までの国际目标。持続可能な世界を実现するための17のゴール、169のターゲットから构成され、発展途上国のみならず，先进国自身が取り组むユニバーサル（普遍的）なものであり、日本としても积极的に取り组んでいる（外务省ホームページから一部改変して転载）。
