私たち人間は社会生活において、さまざまに職業選択をおこないます。同様に、私たちの体を構成する細胞たちも「職業を選択」し、それぞれの役割・機能を発揮しています。植物において物質の輸送を担う維管束は、さまざまな細胞から構成されますが、細胞たちがどのようにしてこれら多様な維管束細胞へと「就職していく」のかその仕組みはわかっていませんでした。
神戸大学大学院理学研究科 (研究当時：東京大学大学院理学系研究科) の近藤侑貴准教授らの研究グループは、葉の細胞から維管束細胞を作り出す培養系 “VISUAL” (注１) を改良し、これまで誘導できなかった篩部伴細胞の誘導にはじめて成功し、これを“VISUAL-CC”と名付けました。“VISUAL-CC”を活用することで、GSK3 (注２) と呼ばれるタンパク質リン酸化酵素が篩管細胞と篩部伴細胞の運命を切り替えるスイッチとして機能し、両者の細胞の割合を決めていることを発見しました。
社会活動においても、それぞれの職業人口のバランスが極めて重要となってきます。植物においては、GSK3が運命スイッチとして維管束における複数タイプの細胞の数のバランスを制御していることがわかりました。今後はそれらの知見を活かし、維管束を構成するパーツを自在に作り出すことができるようになると期待されます。
発表のポイント
- 植物の葉を材料として、維管束を構成する篩管細胞と篩部伴細胞を人為的に誘導することのできる培養系 “VISUAL-CC” の確立に成功しました。
- この培養系を活用して、篩管細胞と篩部伴細胞の運命を切り替えるスイッチ「GSK3」を発見しました。
- 「GSK3」の働きを調整することで細胞運命を人為的に操作できるようになりました。今後、維管束のさまざまな細胞を自在に作り出すことができるようになると期待されます。
発表内容
篩部組織は主に篩管細胞 (篩要素) と篩部伴細胞により構成される。
植物の維管束は、体中にはりめぐらされており栄養分やホルモンを全身に運ぶという重要なはたらきをもちます。維管束は水を運ぶ木部組織、そして糖を運ぶ篩部組織などさまざまな機能細胞から構成されています。中でも篩部組織は物質輸送だけでなく、植物の成長を指揮するいわば司令塔としての機能もあわせもつことが最近の研究から徐々に明らかとなってきました。篩部組織は主に、糖やホルモンの輸送を担う「篩管細胞 (篩要素)」とそれらのサポートをおこなう「篩部伴細胞」の２種類の細胞から成り立っています (図１) 。これら２つの細胞は共通する前駆細胞から分化し、ペアとして機能すると考えられてきましたが、どのようにして細胞の運命が決まるのか、またどのようにして細胞比率のバランスが決められているのかはこれまでわかっていませんでした。
近藤准教授らの研究グループは、これまでに維管束細胞分化誘導システム “VISUAL” を確立し、それを利用して研究を進めてきました。“VISUAL” においては、モデル植物シロイヌナズナの子葉を材料とし、植物ホルモンであるオーキシン、サイトカイニンに加え、bikinin (注３) と呼ばれる化合物を加えて４日間培養することで、子葉に大量の道管・篩管細胞を作り出すことができます (プレスリリース「維管束の細胞を作り出す方法“VISUAL”の開発」を参照)。しかしながら、篩部伴細胞については、これまで誘導法が確立されていませんでした。そこで、篩部伴細胞が作られると発光が生じる仕掛け (注４) を利用して、従来の “VISUAL” をベースに篩部伴細胞が誘導されてくる培養条件のスクリーニングをおこないました。その結果、誘導途中で主にbikininの濃度を減少させることで、篩部伴細胞を誘導できるようになり、この培養方法を“VISUAL-CC”と名付けました (図２)。更に、顕微鏡による詳細な形態観察や遺伝子発現解析においても “VISUAL-CC” で誘導された細胞が篩部伴細胞と似た特徴や性質をもつことが確認されました。
従来のVISUAL法では篩部伴細胞を誘導することはできなかったが、bikinin濃度を低下させたVISUAL-CC培地に培養途中で移し替えることで新たに篩部伴細胞を誘導することに成功した。
運命を決めていない細胞において、篩管細胞と篩部伴細胞の運命はGSK3によって切り替えられ、GSK3活性が高い場合に篩部伴細胞への運命決定が強められる。
次にどのような条件が篩部伴細胞の形成に重要なのかを調べるため、“VISUAL-CC” を用いて大規模遺伝子発現解析 (注５) をおこないました。その結果、篩部伴細胞の形成率は篩管細胞の形成率と強い負の相関を示し、両者はいわばシーソーのような関係にあることがわかってきました。ではそのバランスは何によって決められているのでしょうか。“VISUAL”との培養条件の比較からGSK3の関与が想定され、実際に遺伝子発現データにおいてGSK3のキナーゼ (リン酸化酵素) 活性との間に関連が見出されました。そこで植物の中でGSK3の活性を変化させたところ、篩部伴細胞と篩管細胞の割合がGSK3活性に依存して変わることがわかりました。
以上の結果から、GSK3が篩部伴細胞と篩管細胞の運命を切り替えるスイッチとして機能し、細胞タイプのバランスを保っていることが示されました (図３) 。篩部伴細胞と篩管細胞はペアとして機能することから、GSK3による篩部組織での両者のバランスの調整は植物内の物質輸送を実現する上で重要な仕組みであると考えられます。
本研究グループは、新たに“VISUAL-CC”を開発することで篩部伴細胞の誘導にはじめて成功しました。篩部伴細胞は、外環境と成長を結びつける統御系としても働くことから、植物の環境適応戦略の解明につながる技術基盤になると期待されます。また、本研究では、篩部伴細胞と篩管細胞の運命がGSK3によって切り替えられていること発見し、細胞運命の自在操作が可能となりました。今後は、維管束を構成するさまざまな細胞をパーツとして作り出し、将来的には人工維管束のような輸送装置を創る足掛かりなると期待されます。
なお、本成果は、理化学研究所の豊岡 公徳 上級技師、ケンブリッジ大学のYkä Helariutta教授との共同研究によるものです。
研究助成
本研究は、若手研究 (A) (研究代表者：近藤 侑貴) 及び日本学術振興会 新学術領域研究「植物多能性幹細胞」(研究分担者：近藤 侑貴) の助成を受けて行われました。
用語解説
注１) VISUAL
Vascular cell Induction culture System Using Arabidopsis Leaves の略。シロイヌナズナの葉を用いた維管束細胞誘導培養系の意。篩部伴細胞を英語でCompanion Cellと呼ぶことから、新たに開発した篩部伴細胞分化系を“VISUAL-CC”と名付けた。
注２) GSK3
タンパク質リン酸化酵素の１種であり、グリコーゲン合成酵素キナーゼ-3とも呼ばれる。酵母から哺乳類まで幅広く保存されており、糖尿病やガンなどの病気などへの関連があることが知られている。
注３) bikinin
GSK3の酵素の働きを抑える阻害剤
注４) 発光が生じる仕掛け
ホタルなどの発光生物がもつルシフェラーゼと呼ばれる酵素を用いて、ルシフェリンという薬剤の存在下で篩部伴細胞が誘導されたときに発光が生じる仕掛け。発光の強度を指標に、篩部伴細胞の誘導条件の最適化をおこなった。
注５) 大規模遺伝子発現解析
マイクロアレイという手法を用いて、シロイヌナズナにおいて２−３万にもおよぶ遺伝子の発現量を網羅的に解析した。
論文情報
タイトル
“VISUAL-CC system uncovers the role of GSK3 as an orchestrator of vascular cell type ratio in plants”
DOI
10.1038/s42003-020-0907-3
著者
Takayuki Tamaki, Satoyo Oya, Makiko Naito, Yasuko Ozawa, Tomoyuki Furuya, Masato Saito, Mayuko Sato, Mayumi Wakazaki, Kiminori Toyooka, Hiroo Fukuda, Ykä Helariutta, Yuki Kondo*
掲載誌
