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2009年07月31日
植物の受精を制御する因子を発見 ~植物のオスとメスの協調性は遺伝子の重複によって進化した~

異なった種類の植物を交配しても種ができません。この大きな原因の一つは、花粉管からの精細胞(動物の精子に相当する細胞)の放出と雌しべの卵装置での卵細胞の開放が調度良いタイミングで起こらないことにあります。基礎生物学研究所生物進化研究部門の宮崎さおり研究員らの研究グループは、シロイヌナズナ(アブラナ科)を材料として、花粉管側で卵装置を認識する因子を発見しました。しかも、今回発見した花粉管側(雄側)因子はこれまで報告されていた卵装置側(雌側)因子と、花の咲く植物の雄雌が進化した頃に、同じ祖先遺伝子から進化してきたことがわかりました。雌雄で互いを認識する因子が同じ遺伝子に起源していたという発見は植物の雌雄の協調性がどのように進化するのかを解明する第一歩になりました。また、今回の発見により、異なった種間での交配を可能とする仕組みの研究が進み、将来的には、作物の品種改良への応用が期待されます。この成果は、米国の科学雑誌カレントバイオロジー電子版にて7月30日(米国東部時間)に発表されました。

[研究の背景]

 人間を含め、生き物が繁殖するためには、オスとメスがうまく協調することが大切です。異なった種の間では、オスとメスの協調ができないために受精ができず子孫が残せません。これは、農業において、品種改良や育種をする傷害となっています。動物の受精では、卵細胞に精子がちょうど良いタイミングでたどり着くことが必要です。花の咲く植物の受精は花粉が雌しべの先端に付くことから始まります(図1)。花粉の中には精細胞が入っています。花粉は雌しべの中へ細い管(花粉管)を伸ばし、その中を精細胞が運ばれていきます。そして、卵細胞を蓄える卵装置に花粉管の先がたどり着くと、花粉管と卵装置が同時に破裂し、放出された精細胞と卵細胞が受精します(図2)。従って、うまく受精ができるためには、花粉管と卵装置との間で緊密なコミュニケーションが必要です。これまでの研究から、卵装置側で花粉管からの情報を受け取るメス側受容体タンパク質は知られていましたが、花粉管側のオス側受容体タンパク質は謎でした。また、オスとメスのコミュニケーションの仕組みがどのような遺伝子の変化によって進化してきたのかは全くわかっていませんでした。

090731fig1.jpg図1: シロイヌナズナの花の模式図。
雌しべの先端についた花粉から花粉管が伸び出す。花粉管は雌しべの中を伸びてゆき、卵装置にたどりつく。

090731fig2.jpg図2: 伸長した花粉管が卵装置にたどり着いたあと、花粉管と卵装置が互いを認識して、協調して同時に破裂し、精細胞と卵細胞が受精できるようになる。

[研究の成果]

 基礎生物学研究所生物進化研究部門の宮崎さおり研究員らの研究グループは、シロイヌナズナ(アブラナ科)を材料とし、卵装置側(メス側)からの指示を受け入れる、花粉管側(オス側)の受容体タンパク質を発見しました。しかも、予想外なことに、新しく発見されたオス側受容体タンパク質は、これまで報告されていたメス側受容体タンパク質と同じ祖先遺伝子から進化してきたものであることがわかりました。オス側とメス側、それぞれで相手を認識する受容体タンパク質が同じ遺伝子に起源していたという今回の発見は、オスとメスとの協調がどのように進化してきたのかを解明する第一歩になると考えられます。

宮崎研究員らは、花粉管が卵装置にたどり着く前に精細胞を放出してしまう突然変異体を発見しました。ほとんどの花粉管は、卵装置にたどりつく前、すなわち雌しべの中で破裂して精細胞を放出してしまい、卵装置にはたどり着けませんでした(図3)。遺伝学的解析から、この突然変異体では、受容体リン酸化酵素遺伝子が壊れていることがわかりました。さらに、受容体リン酸化酵素は花粉管表面に存在することが明らかになりました。このことから、卵装置に花粉管が近接したときに、この受容体リン酸化酵素が、卵装置からの情報を受け取り、リン酸化反応によって花粉管内にその情報を伝え、その結果、花粉管が破裂し精細胞が放出されているらしいことがわかりました。

さらに、この遺伝子の塩基配列を他の遺伝子と比較したところ、最も近縁な遺伝子は、これまで卵装置で花粉管の情報を受け取っていることがわかっていたフェロニア(FERONIA:古代ローマ神話の豊作豊穣の女神の名前にあやかって名付けられた)遺伝子であることがわかりました。このことから、新しく発見された遺伝子はアンクサー(ANXUR:フェロニアの夫の名前)と名付けました。さらに、詳細な遺伝子系統解析により、フェロニアとアンクサーは植物の進化の過程で、花粉管と卵装置が進化したのと同じころ(裸子植物が進化したころ)に共通の遺伝子から遺伝子重複によって生じた遺伝子であることがわかりました(図4)。

考えてみれば、全く知らない相手と仲良くなるよりも、自分のコピーとの方がすぐに仲良しになれるのはもっともな話です。予想もしてみませんでしたが、植物の雄と雌の進化の過程では、まさしく、そのようなことが起こっていたのだ、ということが今回の研究からわかりました。

[今後の展開]

生物は異なった種の間では、雌雄の協調がとれず、生殖ができません。今回の花粉管受容体の発見を契機に、異なった種間での交配を可能とする仕組みの研究が進み、将来的には、作物の品種改良に応用できる可能性があります。また、異なった種類の間で、雌雄の受容体がどのように変化しているかを調べることによって、遺伝子にどのような変化がおこると雄雌が協調できなくなって、ついには新しい種が生まれてくるのかということがわかるようになると期待できます。

090731fig3.jpg図3: 正常な花粉管(オス)は卵装置(メス)にたどり着くまで伸長を続け、卵装置にたどり着くと破裂して精細胞を放出する。一方、今回発見したアンクサー遺伝子が壊れると、花粉管は卵装置にたどり着く前に破裂して精細胞を放出してしまう。

090731fig4.jpg図4: 祖先遺伝子が遺伝子重複(コピーするときに同じページを2枚コピーしてしまうように、細胞が増えるときに遺伝子を間違えて2つコピーしてしまうこと)することによって、オス側のアンクサー遺伝子とメス側のフェロニア遺伝子が進化した。

[発表雑誌]

Current Biology
米国科学雑誌 カレントバイオロジー電子版

論文タイトル:
"ANXUR1 and 2, Sister Genes to FERONIA/SIRENE are Male Factors for Coordinated Fertilization"

著者:Saori Miyazaki, Takashi Murata, Nami Sakurai-Ozato, Minoru Kubo, Taku Demura, Hiroo Fukuda, and Mitsuyasu Hasebe

[研究グループ]

本研究は、基礎生物学研究所生物進化研究部門(宮崎、村田、櫻井-尾里、長谷部)、理化学研究所植物科学研究センター(久保、出村、福田)からなる共同研究チームによる成果です。

[研究サポート]

本研究は、文部科学省科学研究費補助金、特定領域研究「種形成の分子機構(代表:東京工業大学岡田典弘教授)」、特定領域研究「植物発生における軸と情報の分子基盤(代表:東京大学・理化学研究所 福田裕穂教授)」のサポートを受けて実施されました。

[本件に関するお問い合わせ先]
基礎生物学研究所 生物進化研究部門
教授 長谷部 光泰 (はせべ みつやす)
Tel: 0564-55-7546 (研究室)
E-mail: mhasebe@nibb.ac.jp
URL: http://www.nibb.ac.jp/evodevo/

[報道担当]

基礎生物学研究所 広報国際連携室
倉田 智子
Tel: 0564-55-7628
E-mail: press@nibb.ac.jp