植物の精细胞が「一皮むけた」瞬间を撮影 ?重复受精の精巧な仕组みの一端を明らかに?

2023.01.31

プレスリリース
研究
理学部

植物の精细胞が「一皮むけた」瞬间を撮影

?重复受精の精巧な仕组みの一端を明らかに?

横浜市立大学木原生物学研究所杉直也特任助教、泉理恵さん（当時大学院生）、丸山大輔准教授を中心とする研究グループは、モデル植物のシロイヌナズナを用いて、受精直前の準備段階で精細胞に起こる変化を撮影することに成功しました（図１）。

种子を作る多くの植物の精细胞は、自ら泳ぐことができない代わりに内部形质膜という一重膜に覆われて花粉管の内部を输送されます。花粉管から放出された精细胞は受精相手の细胞と直接接触できるよう、内部形质膜を素早く脱ぎ捨てると推测されてきましたが、実际にその瞬间を捉えた报告はありませんでした。本研究では、取り出した生殖组织を顕微镜下で受精させ生きたまま撮影するライブイメージング技术を利用し、精细胞が花粉管から放出されるとすぐに内部形质膜が断片化してはがれることを明らかにしました。この知见は精妙な受精の仕组みの解明につながるもので、有用な植物を作出する技术の开発に役立つことが期待されます。

本研究成果は、植物専門誌「Frontiers in Plant Science」に掲載されました。（2023年1月26日）

ー（動画）Sugi et al., 2023 Front. Plant Sci.より改変

研究成果のポイント

?花粉管からの精细胞放出直后に内部形质膜が断片化して崩壊する瞬间の撮影に成功

? 輸送中の精細胞では内部形質膜の崩壊が抑制される

? 内部形质膜の変化の様子が示されたことで精细胞の活性化机构の全容解明に贡献

図1 受精直前の精細胞裸出
上：伸长中の花粉管における精细胞。2つ1组がまとめて内部形质膜で覆われ、先端へ输送される。

下：胚珠に放出された受精直前の精细胞。内部形质膜が崩壊した后、裸出した精细胞が活性化、卵细胞または中央细胞に接着、融合を経て受精完了する。

研究背景

私たちの食べる穀类や果物の生产や、异种交配から新品种を作る育种において，花を咲かせる植物の受精は欠かせない现象です。种子の元となるメス组织（胚珠^＊1）には、卵细胞、中央细胞という受精ができる细胞が2つあります。これらが花粉管によって运ばれる2つの精细胞と受精して种子発达が开始します。约10年前、この植物独自の重复受精において、2组の受精がほぼ同时に起きることがシロイヌナズナのライブイメージング観察から明らかとなりました（参考文献1）。それによると、花粉管放出后の精细胞は约9秒で卵细胞と中央细胞の间に到达し、わずか7分ほどで重复受精を完了します。この迅速な受精の様子から、花粉管の中で精细胞を覆っていた内部形质膜も、精细胞放出の前后で崩壊すると推测されていましたが、详细は不明でした。

研究内容

丸山准教授の研究グループでは、蛍光タンパク质で内部形质膜を可视化した花粉管と取り出した胚珠を共培养し、顕微镜下で受精の様子を観察しました。花粉管の中の精细胞は内部形质膜にきちんと覆われていた一方、精细胞放出后1分の时点では断片化した内部形质膜が剥がれ落ちた様子が捉えられました（図2）。さらに、すぐに精细胞放出をしてしまうanx1 anx2二重変异体を培地上で観察することで、伸び始めた花粉管から放出された内部形质膜の断片化の様子を鲜明に撮影しました。兴味深いことに、精细胞が内に留まり细胞质の一部の细胞质が外に漏れた场合の花粉では、内部形质膜に変化が见られませんでした。以上の観察から内部形质膜は、精细胞が花粉管を输送される间は安定しているのに対し、花粉管から放出された瞬间に急激に不安定化するという、厳密な崩壊タイミングの制御を受けていることが推测されました。

図2 受精直前の精細胞裸出
左：花粉内の细胞核（マゼンタ）と内部形质膜（緑）。
右：胚珠内で花粉管が破裂した1分后には精细胞核（矢尻）から剥がれ断片化した内部形质膜（?）が観察された。

今后の展开

受精前の精细胞は、卵细胞から分泌される情报分子の刺激を受けることで受精可能な状态になると言われてきました（参考文献2）。内部形质膜の崩壊を伴う精细胞の速やかな裸出は、この精细胞活性化を促进するとともに、融合する卵细胞や中央细胞と直接的に接触できる状态を作り出す受精に重要な準备过程といえます。今回、内部形质膜の変化の様子が示されたことで、精细胞活性化の全容解明が进むでしょう。この活性化に関わる一部因子は半数体育种法^＊2の标的として近年注目されており（参考文献3）、今后、本成果が有用な植物を作出する技术の开発に役立つと期待されます。&苍产蝉辫;

用语説明

＊1 胚珠：被子植物の雌しべの中にある組織で、受精後に種子になる。卵細胞や中央細胞という配偶子を含む多細胞で構成される。

＊2 半数体育種法：有用な性質を持つ品種の遺伝子を、次世代以降も安定して出現させるためには適切な染色体対を揃える必要がある。古典的な方法では何度も世代を重ねて選抜が必要なところ、半数体育種法では一度、染色体の数を半減させた世代をつくって必要な染色体をもつ個体を選んだ上で、染色体数を戻すことで高速に目的の植物を得ることができる。

研究费

本研究は、科学研究费助成事業(JP19H04869, JP20K21432, JP20H05778, JP20H05781, JP22K15145, JP22H05172, JP22H05175)の支援を受けて実施されました。

论文情报

タイトル： Removal of the endoplasma membrane upon sperm cell activation after pollen tube discharge （花粉管放出后の精细胞活性化时における内部形质膜の除去）
著者：杉直也、泉理恵、友実駿、須崎大地、木下哲、丸山大輔
掲载雑誌： Frontiers in Plant Science
顿翱滨：

参考文献など

1. Hamamura, Y. et al., (2011) Live-cell imaging reveals the dynamics of two sperm cells during double fertilization in Arabidopsis thaliana. Current Biology 21: 497–502.
2. Sprunck, S., (2019) Twice the fun, double the trouble: gamete interactions in flowering plants. Current Opinion in Plant Biology 53: 106–116.
3. Zhong, Y. et al., (2020) A DMP-triggered in vivo maternal haploid induction system in the dicotyledonous Arabidopsis. 6: 466–472.