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2015年03月16日
食虫植物サラセニアの小動物を食べる葉ができる仕組みの発見 〜細胞の変化が著しい形の変化を引き起こす〜

自然科学研究機構 基礎生物学研究所

総合研究大学院大学

東京大学大学院 理学系研究科

 

食虫植物サラセニアの小動物を食べる葉ができる仕組みの発見

—細胞の変化が著しい形の変化を引き起こす−

 

 食虫植物は奇妙な形の葉を持ち、小動物を捕らえ食べることで貧栄養地にも生育できます。進化学の太祖であるダーウィンは「食虫植物」という本を書き、その後も多くの研究がなされてきましたが、奇妙な形がどのように進化したかは未解明でした。

 サラセニアは、北米原産で袋のような葉を作り、その中に消化液を溜め、落ちた小動物を食べてしまいます(図1)。従来、ハスのような盾状の葉を作るのと同じ仕組みで筒状の葉が進化したと考えられてきました。基礎生物学研究所および総合研究大学院大学 生命科学研究科 基礎生物学専攻の福島健児大学院生と長谷部光泰教授らは、同研究所の藤田浩徳研究員や川口正代司教授、東京大学の塚谷裕一教授らと共同で、走査型電子顕微鏡による形態観察、葉を作る遺伝子の働きを調べる実験、コンピュータシミュレーションによる再構成実験などを行い、袋のような葉の形作りの仕組みを調べました。その結果、サラセニアの葉は、盾状の葉とは異なった独自の仕組みで進化した可能性が高いことがわかりました。すなわち、葉の特定の場所で細胞の分裂方向を変える、という細胞レベルの変化で、平らな葉から袋への大きな形の変化が引き起こされていることが明らかになりました。この成果は、3月16日に科学誌Nature Communications(ネイチャー コミュニケーションズ)に掲載されます。

 

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図1 サラセニア Sarracenia purpureaの袋のような葉

【研究の背景】

 生物進化の残された大きな謎の一つに、著しい形の変化がどのように生じるのかという問題があります。突然変異は遺伝子におこり、通常、遺伝子からできるタンパク質は細胞の性質を少しだけ変化させます。そのような細胞の変化がどうやって顕著な形の変化を引き起こすのかはよくわかっていません。食虫植物の袋のような葉の進化は顕著な形の進化の典型例です。

 サラセニアは、小動物を「食べる」ことで他の植物が生育できない貧栄養環境でも生育できます。ダーウィンも1875年に書いた「食虫植物」という本の中でサラセニアの食虫性について言及しています。1976年に米国の研究者が、袋のような葉はハスのような盾状の葉と同じような仕組みでできるという説を提唱しました(図2)。しかし、本研究により全く異なった機構で作られることがわかりました(図3)。

 

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図2 袋のような葉の進化について従来の仮説

形成初期の葉の断面を横から見たときの模式図(左)、形成中期の葉の断面を横から見たときの模式図(中央)、成熟した葉の正面写真(右)を示す。

 

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図3 今回の結果

 葉の表側と裏側を特徴付ける遺伝子の働く場所(それぞれ水色と黄色)を調べたところ、盾状葉と袋型の葉に明確な違いがあることがわかった。

 

 

【研究の成果】

 研究グループは、まず、サラセニアの葉が出来る過程を走査型電子顕微鏡を用いて詳細に観察しました。袋型の葉であっても、葉がつくられる一番はじめは、平らの葉と同じく平坦な形をしていることがわかりました(図4左)。次に、葉の形づくりに深く関わることが知られている、葉の表側と裏側を特徴づける遺伝子が働く場所を調べました。それらの結果を平らな葉やハスのような盾状の葉と比較すると、平らな葉で見られるパターンに類似しており、盾状の葉で見られるパターンとは明確に異なることがわかりました。このことから、袋状の葉が盾状の葉と同じような仕組みで進化したとする従来提唱されてきた仮説は正しくない可能性が高まりました。次に、葉が作られる過程において、細胞分裂の方向を調べました。平らな葉では、葉の表面に対して垂直に細胞分裂がおこり、葉は腕を伸ばすように広がります。サラセニアの葉においては、先端側では平らな葉と同じように表面に対して垂直に細胞分裂がおこるのですが、基部側では、表側の内部組織が異なる方向(葉の表面と平行)に細胞分裂を起こし、中央部分がでっぱってくることがわかりました。そして、先端側での腕を伸ばすような成長と、基部側での出っ張りの成長が相まって、袋の形がつくられていることがわかりました(図4)。たとえるなら、シャツのみぞおちのあたりを引っ張って上側に窪みを作るようにして袋の形を生み出しているのです。

 この細胞分裂の様式をコンピュータ上でシミュレーションすると、袋型の葉の構造を再現できることから(図5)、葉の形成過程における、特定の場所での細胞の分裂方向の違いが、袋型の葉の形作りの基盤であることが示されました。

 

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図4 サラセニアの袋のような葉の細胞分裂様式

 

 

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図5 細胞分裂様式の影響を調べるコンピュータシミュレーション

 

【本研究の意義と今後の展開】

 本研究から、平らな形の葉からサラセニアの袋のような葉への顕著な形の変化が、実は、葉の特定の場所で細胞分裂の方向を変えるという細胞レベルでの変化の結果として引き起こされていることがわかりました。これまで他の生物と大きく異なるような形態は、どのように進化したのかよくわかりませんでしたが、今後、細胞レベルの詳細な研究を進めることで理解できるようになる可能性があります。また、このような学術的意義に加え、作物や花卉の形を人に役立つように変えるための基盤情報を提供しうる可能性があります。

 

参考資料:

【実験結果についてより専門的な解説】

食虫植物は、小動物を“食べる”ことで貧栄養環境へ適応した植物です。小動物の捕獲には、捕虫葉と呼ばれる特殊な形の葉を利用します。捕虫葉には様々なタイプがありますが、落とし穴式の捕虫葉は袋のような形をしています。しかしながら、袋型の葉ができる形作りの仕組みは不明でした。研究グループは袋型捕虫葉を作る食虫植物サラセニア(Sarracenia purpurea)を研究材料として、葉原基と呼ばれる細胞の集まりが袋型に成長していく過程を観察しました。その結果、袋型捕虫葉であっても、形作りの最初期では平らな形をしていることがわかりました。

 

 シロイヌナズナなどのモデル植物を使った研究によって、平らな葉の形作りには葉の表側の組織と裏側の組織の分化が重要であることがわかっています。また、表側と裏側の細胞が作られる部位を変化させれば、ハスの葉のような盾形を含む多様な形の葉が作り出せることも知られています。そこで次に、表側や裏側の細胞が袋型捕虫葉の葉原基のどこで分化しているかを調べるために、葉の表側に局在する遺伝子PHABULOSAや裏側に局在する遺伝子FILAMENTOUS FLOWERの発現部位をRNA in situ hybridization法によって可視化しました。その結果、予想外なことに、葉原基が袋型になる時期の表裏組織の分布は、盾状の葉とは明確に異なる一方、シロイヌナズナなどに見られる平らな葉(普通葉)のパターンと区別がつきませんでした(図6)。この結果は、これまでに多様な葉の形を説明してきた表裏組織の分布変化とは異なる仕組みで袋型捕虫葉が作られていることを示しています。

 

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図6 葉の表側および裏側に特異的な遺伝子の発現部位の比較

 

次に、はじめは平らだった葉原基が徐々に袋型になっていく過程を詳細に観察したところ、葉原基の先端側では周縁部が伸び出してくぼみを作り、基部側が表側方向にせり出してでっぱりを作ることがわかりました(図7)。先端側と基部側ではどのような差があるのかを詳細に調べたところ、一部の組織に細胞分裂方向の違いが見つかりました。くぼみを作る先端側では、ほとんどの細胞が垂層分裂(組織の表層と垂直に分裂面を作る細胞分裂)により、細胞層の面積を拡大するように増殖していたのに対し、でっぱりを作る基部側では、表側組織の内側の細胞が並層分裂(組織の表層と平行に分裂面を作る細胞分裂)により細胞層の数を増やすように増殖していました。

 

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図7 葉における細胞分裂様式の観察とコンピュータシミュレーション

 

葉原基を模した細胞塊のモデルをコンピュータ上で作成し、観察された細胞分裂様式に従って成長させたところ、実際の捕虫葉に見られるくぼみとでっぱりを再現できたことから(図7)、葉原基先端側と基部側で異なる細胞分裂方向によって袋型捕虫葉の形作りが説明可能であると結論づけました。

 

【論文情報】

Nature Communications 2015年3月16日掲載(日本時間3月16日19時)

タイトル:Oriented cell division shapes carnivorous pitcher leaves of Sarracenia purpurea

著者:Kenji Fukushima, Hironori Fujita, Takahiro Yamaguchi, Masayoshi Kawaguchi, Hirokazu Tsukaya, and Mitsuyasu Hasebe

 

【研究サポート】

本研究は、日本学術振興会科学研究費助成事業(科研費)新学術領域研究「複合適応形質進化」、「植物発生ロジックの多元的開拓」などによる支援のもと行われました。福島健児大学院生は日本学術振興会の特別研究員(DC1)として本研究に従事しました。

 

【本研究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

総合研究大学院大学 生命科学研究科 基礎生物学専攻

教授 長谷部 光泰(ハセベ ミツヤス)

TEL: 0564-55-7546

E-mail: mhasebe@nibb.ac.jp

 

【報道担当】

基礎生物学研究所 広報室

TEL: 0564-55-7628

FAX: 0564-55-7597

E-mail: press@nibb.ac.jp