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2013年07月26日
葉緑体の状態に応じて葉が形を変える際のメカニズムを解明

 多くの植物の葉は、緑色で平たく幅広い形態をしています。緑色をしているのは、光合成を行う葉緑体が発達しているからであり、平たく幅広い形態は、広い面積で光を受けるのに役立ち、効率よく光合成を行うのに適しているのです。葉のこうした特徴は、「葉原基」と呼ばれる葉のもとから、葉の形がつくられる過程で出来上がってきます。

 この葉原基の成長過程では様々な遺伝子の働きを必要とします。中でも、葉緑体が未発達な葉原基から葉緑体を発達させるには葉緑体が独自に持つ葉緑体ゲノム(注の働きが重要です。また、以前から葉緑体ゲノムの働きが抑えられたときに葉が細くなるという現象が報告されていました。このことから、葉緑体ゲノムと葉の形態との関連性が指摘されていましたが、その仕組みはわかっておらず、葉の形の研究における謎の一つでした。

 今回、基礎生物学研究所の岡田清孝前所長と爲重才覚研究員らは、葉緑体ゲノムの働きが抑えられると、葉の表側組織の性質を決める遺伝子が正常なパターンで働かなくなり、葉原基内部で表側と裏側の性質を持つ細胞の分布のバランスが崩れて、葉の横方向への幅広い成長が妨げられていることを明らかにしました。

 これらの発見から、葉緑体ゲノムの働きが、葉緑体の発達だけでなく、葉の形を決める上でも重要な役割を担うことが明らかとなりました。この成果は、7月25日に米国科学雑誌「PLOS Genetics」に掲載されました。

 

 なお、この論文はPLOS Genetics7月号のCover(表紙)として紹介されています。

 

<研究の背景>

 葉は、葉原基と呼ばれる小さな半球形に近い形をしたものから形成されます。これが平たく幅広い形に成長するには、葉原基の表側と裏側に位置する細胞がそれぞれ表側と裏側の性質を持つことが重要です(図1)。表側の性質を与える遺伝子が誤って葉原基の全体で働いてしまったり、逆に裏側の性質を与える遺伝子が葉原基の全体で働いてしまったりすると、平たく幅広い葉にならずに針状の細い葉になってしまうことが知られていたからです。しかし、どのような仕組みで表側の性質を与える遺伝子が表側の細胞でだけ働き、裏側の性質を与える遺伝子が裏側の細胞でだけ働くのかは、よくわかっていませんでした。また、葉緑体ゲノムの働きが抑制された時に葉が細くなる現象が報告されていましたが、そのメカニズムは不明でした。

 

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図1)上図: 葉原基が成長して扁平な成熟葉へと変化してゆく様子。下図: 葉原基の表側と裏側で、それぞれの性質を与える遺伝子が働く領域を、葉原基の断面の模式図で表している。

 

 

<成果の概要>

 本研究では、遺伝子レベルでの研究に適したシロイヌナズナという植物を用いて、葉原基を詳しく解析することで研究が進められました。

 研究グループはまず、葉原基が新たに生じるときに、葉原基の全ての細胞で裏側の性質を与える遺伝子(FILという遺伝子)が働き、表側の性質を与える遺伝子(PHBという遺伝子)の働きは抑えられていることを見つけました。そして、その後の成長に伴って、表側の細胞が次々にFILの働きを抑え、反対にPHBを働かせるように切り替わってゆくことがわかりました(図2)。つまり葉原基の発達過程では、初めは全ての細胞が裏側の性質を仮に与えられ、次第に表側に位置する細胞から順次、遺伝子の働きを切り替えて表側の性質を獲得するという現象が起きていることを示しています。

 次に、葉緑体ゲノムの働きが抑えられた葉原基では、葉緑体の発達に異常があるだけでなく、細い形の葉へと成長します(図3)。そのような葉緑体ゲノムの働きが抑えられている葉原基では、表側の細胞でFILとPHBの働きが切り替わるのが遅れることを新たに見つけました(図3)。このことから葉緑体ゲノムの働きが異常になると、表側の細胞が適切なタイミングで表側の性質を獲得できず、表側と裏側のバランスが崩れて葉を幅広く展開できなくなると考えられました。さらに、FILとPHBの働きの切り替わりが遅れることに、葉緑体の状態に応じて核ゲノムに属している光合成に関わる遺伝子の働きを制御するGUN1という因子が関わっていることも明らかになりました。本研究の結果から、核ゲノムに属する遺伝子のGUN1を介した発現制御の仕組みは、光合成関連の遺伝子だけでなく葉の表側や裏側の性質に関わる遺伝子をも制御し、葉緑体ゲノムの状態に応じて葉を幅広く成長させるかどうかを決める上で重要な役割を担っていることがわかりました。

 

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図2)さまざまな成長段階の葉原基において FIL(緑) と PHB(紫) の働く領域を示している。白いI字のバーで示す通り、成長が進むほどFILの働く領域が狭くなって、PHB(紫) の働く領域が広くなっている。

 

 

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図3)上図: 葉原基における FIL(緑) と PHB(紫) の働く領域を横断面で示している。葉緑体ゲノムがうまく働かない植物株(enf2変異体)は野生株と比較してFILの働く領域が広くPHBの働く領域が狭い。下図: 野生株とenf2変異体の成長した葉。enf2変異体は緑色が薄く葉が細い。

 

<本研究の意義>

 本研究から、葉緑体ゲノムの働き具合が、GUN1の関わる核ゲノムに属する遺伝子の発現制御の仕組みを介して、表側の細胞で表側の性質獲得に必要な遺伝子の発現のタイミングを決め、表裏を決める遺伝子発現のバランスを制御している、という仕組みがわかってきました。これは、単に光合成をする場所と思われがちな葉緑体が、葉の形を決める遺伝子の働きにも影響を与えるという点で、葉緑体機能の多面性を示す重要な知見です。

 

<今後の展開>

 本研究では葉緑体ゲノムの働きが葉の形に影響する仕組みを明らかにしているのですが、では葉緑体ゲノムの働きが抑えられた時に葉を細くすることにどんな意味があるのか、という疑問が浮かびます。この疑問は未だ答えることが難しく、今後の重要な課題と言えますが、研究グループは現在次のように議論しています。

 葉原基が成長する過程で、葉緑体を発達させて光合成能力を獲得することと、横に成長して平たく幅広い形になることは、活発に光合成して栄養を生み出す上で重要です。しかし、もし葉原基の時点で葉緑体ゲノムの働きが抑えられてしまうと、光合成能力の高い葉緑体を発達することが難しくなります。そのような場合には、いくら葉を幅広く成長させても活発に光合成ができません。むしろ葉を幅広く成長させない方が無駄なものを作らずにすむので、植物にメリットがあるのでは無いでしょうか。この考え方は今後実験的に検証してみなければなりませんが、そうだとしたら植物は葉っぱ一枚作るのにも非常に知的で柔軟な制御を行っていると考えられます。

 

【専門解説】

注)葉緑体ゲノム:葉緑体に存在する遺伝子のセットのこと。遺伝子の多くは細胞の中の核と呼ばれる部分に存在するが、葉緑体にも核とは別に遺伝子が存在している。

 

【研究グループ】

 本研究は基礎生物学研究所の岡田清孝前所長と爲重才覚研究員が中心となり、同研究所の西村幹夫教授、川口正代司教授、および京都大学大学院理学研究科の槻木竜二助教らの協力を得て行われました。

 

【研究サポート】

 文部科学省科学研究費助成事業および日本学術振興会(特別研究員奨励費)のサポートを受けて行われました。

 

【論文情報】

米科学雑誌「PLoS Genetics」にて2013年7月25日 公開

論文タイトル:Pattern Dynamics in Adaxial-Abaxial Specific Gene Expression Are Modulated by a Plastid Retrograde Signal during Arabidopsis thaliana Leaf Development

著者:Toshiaki Tameshige, Hironori Fujita, Keiro Watanabe, Koichi Toyokura, Maki Kondo, Kiyoshi Tatematsu, Noritaka Matsumoto, Ryuji Tsugeki, Masayoshi Kawaguchi, Mikio Nishimura, Kiyotaka Okada

 

http://www.plosgenetics.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pgen.1003655

 

【本件に関するお問い合わせ先】

前 基礎生物学研究所 所長

(現 自然科学研究機構 理事)

岡田 清孝 (オカダ キヨタカ)

TEL: 03-5425-1300

E-mail: kiyo@nibb.ac.jp

 

前 基礎生物学研究所 研究員

(現 名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所 研究員)

爲重 才覚(タメシゲ トシアキ)

TEL: 052-747-6866

E-mail: t.tame@nibb.ac.jp, t.tame@itbm.nagoya-u.ac.jp

 

【報道担当】

基礎生物学研究所 広報室

TEL: 0564-55-7628

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