麻豆官网

横浜市立大学 木原生物学研究所 杉直也特任助教、丸山大輔准教授らを中心とした研究グループは、青色光（ブルーライト）^＊1 を照射するという非常に简便な操作で効率的に花粉管の破裂を诱导できることを発见しました（図１）。

種子を作る多くの植物の精細胞は自ら泳ぐことができず花粉管の内部を輸送されます。精細胞は卵細胞の近くまで到達した花粉管の先端が破裂することで放出され、放出された精細胞は活性化のステップを経て卵細胞との受精が可能となります。生体内においてこの花粉管破裂は厳密に制御されていますがその全容は明らかになっておらず、人為的な花粉管破裂の制御にも技術的な課題が多くありました。本研究では、青色光を照射するという非常に簡便な操作で花粉管破裂を効率的に誘導する方法論を確立しました。効率的な花粉管破裂誘導法の開発により、花粉管破裂直後に素早く起こる精細胞活性化機構の解析への新たな道が開けました。このことは植物独自の 重複受精の仕組みの解明に貢献するものです。さらには、花粉管破裂異常が原因で交雑できない種間の雑種形成を通した有用作物開発などへの展開も期待できます 。

本研究成果は、植物専門誌「Plant and Cell Physiology」に掲載されました。（2024年3月12日）

 

穀类など被子植物の种子の形成には２つの精细胞が卵细胞と中央细胞とそれぞれ受精する重复受精が不可欠です。この精细胞の通り道である花粉管は素早い先端生长を示す特殊な细胞であり、めしべ内の细胞がひしめく环境でも细胞间を掻き分けるように力强く素早く伸长する顽健性がある一方で、卵细胞の近くに到着すると破裂して精细胞を放出する鋭敏性を兼ね备えています。杉特任助教らの研究グループは、モデル植物であるシロイヌナズナの花粉管を材料として研究を行う过程で、青色光を照射する条件下では花粉管が効率良く破裂することに気付きました。そこで本研究では、花粉管破裂を制御するメカニズムの解明および人為的な花粉管破裂制御技术の开発に贡献する知见が得られると考え、より详细な解析を进めることにしました。

まず、この青色光照射による花粉管破裂がシロイヌナズナ以外の他の植物种でも见られる现象であるかどうかを调べました。その结果、トレニアやベンサミアナタバコにおいても観察され、他の植物种にも共通した现象であることを确认しました（図2）。さらに、青色光を花粉管の一部にだけ照射する実験により、青色光は花粉管の先端付近に作用することで破裂を诱导していることが明らかとなりました。この花粉管破裂时のカルシウムパターンを明らかにするために、カルシウムセンサーである骋颁补惭笔^＊2を発现させた花粉管の観察を行いました。その结果、青色光照射后にカルシウムイオンが流入している様子が観察されました（図3）。このことから、青色光には花粉管に対してカルシウムイオン流入を诱导する作用があり、これにより花粉管破裂が起こることが示唆されました。

花粉管から放出された精细胞は、さらに精细胞の外侧を覆う内部形质膜の崩壊による精细胞膜の露出、そして卵细胞分泌性ペプチドの作用による细胞膜融合因子の活性化を通して受精可能な状态になると考えられています。シロイヌナズナを材料とした研究において重复受精は花粉管破裂后约7分程度で完了する素早い现象であることが示されており（参考文献1）、精细胞の活性化も数分以内には完了すると考えられます。しかし、その反応の素早さゆえに、重复受精完了に至る过程の全容解明が困难でした。花粉管破裂にはメス组织で产生されるペプチドや活性酸素种が関与することが报告されており、これらを添加することによって花粉管破裂を诱导できることは知られていました。しかしながら、顕微镜観察下におけるこれらの添加には一定以上の顕微操作技术が必要であること、添加した液体によって観察対象が移动してしまうため経时的な観察に不向きであること、破裂効率が低いことなどの问题点がありました。

本研究により烦雑な操作をせずとも任意のタイミングで観察対象のブレを最小限に抑えて人為的に花粉管破裂を诱导することが可能となりました。これにより、内部形质膜の崩壊および细胞膜融合因子の活性化过程についてより时空间的に解像度の高い解析が可能となり、精细胞活性化の全容解明に贡献すると考えられます。また、异なる种间の交雑では花粉管が卵细胞の付近まで伸长するもの花粉管破裂が起こらないために受精に至らず雑种が形成できない场合が知られています。このような组み合わせに対して本研究で明らかになった方法を适応することにより、これまでになかった组み合わせの雑种を得られる可能性があり育种への利用なども考えられます。

＊1 青色光（ブルーライト）：ここでは主に、蛍光タンパク質の一種で青緑色蛍光を放つCFP (Cyan Fluorescent Protein) の観察に適した励起光である波長425–445 nmの光を指す。シロイヌナズナの花粉管を材料として研究を行う過程で、RFPやGFPの観察に用いる光よりもCFPの観察に用いる光を照射した時の方が高い確率で花粉管の破裂が起こることに着目した。

＊2 GCaMP：緑色蛍光タンパク質（Green Fluorescent protein : GFP）の構造の中にカルモジュリンと呼ばれるカルシウムイオン結合性の配列が組み込まれており、カルシウム濃度に応じて蛍光強度が変化する性質を持つ。これを用いることで細胞内のカルシウム濃度変化を評価することができる。

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.

本研究は、JSPS科研费 、ながひさ科学振興財団（G2023-01）および横浜市立大学第５期戦略的研究推进事业「研究开発プロジェクト」 の支援を受けて実施されました。 

タイトル： Blue light irradiation induces pollen tube rupture in various flowering plants.
（日本语訳：青色光照射は様々な植物种において花粉管破裂を诱导する）
著者： 杉 直也、須崎 大地、水多陽子、木下 哲、丸山 大輔
掲載雑誌：Plant and Cell Physiology
DOI ：
 

横浜市立大学　広报课
mail: koho@yokohama-cu.ac.jp