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⇒応用生命科学領域
(大学院)
写真 植物発生生理学研究室
 被子植物の生活環においては、種子の発芽、幼植物から成熟個体への成長、花芽の形成、雌雄生殖器官の発生、重複受精、種子の形成など、さまざまな発生・生理現象がおきています。
 本研究室では、それらの中でも次世代の個体を残すことに密接に関連している、「受精、胚発生および種子形成」の過程に焦点を当てて研究を進めています。また、オーキシンの生合成・移動、及び作用機構(光屈曲)についても研究しています。

[研究室メンバー]
教授 岡本龍史
助教 古川聡子
博士後期課程 大西由之佑、鈴木洋弥 ラフマン・ハッサヌール 渡部選子 
博士前期課程 須川友実子
卒業研究 國分巌、古磯成美、原美嶺、中平織香、岩見百華(外研)
連携大学院准教授 瀬尾光範(理研)
客員教授 小柴共一
客員研究員 加藤紀夫
特別研究員 陽川憲

[このHPは2016.4.15に更新しました]
教 員
教 授 岡本 龍史 e-mail
助 教 古川 聡子 e-mail
植物の受精を顕微鏡下で再現する
有性生殖を行う生物においては、卵(雌性配偶子)と精(雄性配偶子)が融合して受精卵が生じ、その受精卵が発生して次世代の個体になります。被子植物では、この配偶子融合が雌しべの奥底で起こることから、動物のように人工受精を行うことは簡単ではありません。しかしながら、我々はモデル植物であり、かつ、食糧としても重要なイネから卵細胞と精細胞を単離したのち、それらを電気的に融合させることにより受精卵を作出し、その受精卵を個体へと発生させる実験系 (in vitro 受精系)を確立することに成功し(図1、融合の瞬間)、植物の受精や受精卵発生の機構の解析を進めています。
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図1.イネ in vitro 受精系
休止状態にある卵細胞が、精細胞との融合によってどのように活性化し、発生を開始するのか
上記の植物発生学・生理学的に重要な疑問を明らかにしたいと考え、受精卵の活性化メカニズム、受精誘導性・抑制性遺伝子の機能解析、受精卵中における雌雄核の融合機構、受精卵発生における父親・母親ゲノムの役割、および受精卵の不等分裂機構などを研究のテーマにしています。図2は、イネ受精卵中における精核と卵核の融合の様子です。核融合後に、受精卵は活発に分裂します(受精卵の第一分裂過程)。
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図2.受精卵中における精核と卵核の融合過程(核の合一)
配偶子育種による新形質植物の作出
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図3.交雑受精卵からの胚性カルスと再生シュート
異種および同種の配偶子を任意の組み合わせで融合させることで、新しい形質をもつ植物(穀物)を作出する試みを進めています(特許出願済)。右の図3A はイネとコムギの交雑細胞由来の胚性細胞塊、図3B はイネとミナトカモジグサの交雑細胞由来の再生シュートです。また、異種間交雑細胞や倍数性細胞を用いて、異種間ゲノムの軋轢や雌雄ゲノムの機能差などの基礎生物学的な解析も行っています。
IAA オーキシンの生合成・移動と重力・光屈曲の分子機構
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図1.先端で合成されるIAAのPINによる輸送
オーキシン(IAA)は植物ホルモンとして最初に発見れさた物質で、植物の成長や形態形成、光や重力の方向の認知など植物が生きていく上で重要な役割を果たしています。
 この様な生理作用は、IAAがいつどこで作られどのように移動して作用するのか、といった様々な要因により調節されています。このため植物体内でのIAAの合成と移動、その調節機構を明らかにすることは植物の体の成り立ちを理解する上で不可欠な課題です。私たちは、この問題を明らかにするため、主にトウモロコシの幼葉鞘を用いて:
(1)先端1-2mmで合成されたIAAはPINタンパク質によって下方に移動する(図1;幼葉鞘におけるPIN の局在)、(2)重力や光によりIAAの偏差分布が生じ、屈曲が起こること、(3)さらに幼葉鞘の青色光受容に関わるZmphot1 以外に先端特異性を決定する因子の存在が必要であること(図2;青色光の先端特異的受容機構のモデル)を明らかにしてきています。また、(4)このようなトウモロコシ幼葉鞘の屈曲を用いた生物検定法により、新奇のIAA生合成阻害剤YUCASINや輸送阻害剤を発見、特定しました(図3;10000化合物ライブラリーからIAA合成にかかわるYUCCA酵素の阻害剤を特定し"YUCASIN"と命名)。
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図2.先端特異的な青色光による屈曲の分子モデル
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図3.新規オーキシン生合成阻害剤の発見
関連情報
・ 年報 【2015年度】【2014年度】【2013年度】【2012年度】【2011年度
最近の研究業績
  1. 主要な論文、総説、書籍のみ。詳細な業績については、上記の年報をご覧下さい。
  2. <受精・胚発生関連>
  3. 井川智子、東山哲也、岡本龍史 (2014)「第7章:被子植物の受精2:花粉管の伸長とガイダンス、配偶子の融合、核の合一」、動植物の受精学:共通機構と多様性、澤田均編、化学同人、pp103-118.
  4. 岡本龍史 (2009) 受精の生理、種子の科学とバイオテクノロジー、原田久也他/編、学会出版センター、pp25-27
  5. 岡本龍史、内海貴夫(2006) In vitro 受精法を用いた胚発生研究法、植物の生長調節 41:75-82
  6. 岡本龍史 (2006) 胚発生、植物ホルモンの分子細胞生物学、小柴共一・神谷勇治/編、講談社、pp122-134.
  7. Ohnishi, Y., Okamoto, T. (2015) Karyogamy in rice zygotes: Actin filament-dependent migration of sperm nucleus, chromatin dynamics, and de novo gene expression. Plant Signal. Behav., DOI:10.4161/15592324.2014.989021
  8. Ohnishi, Y., Okamoto, T. (2015) Microscopic observation, three-dimensional reconstruction, and volume measurements of sperm nuclei. Bio-protcol, in press
  9. Ohnishi, Y., Hoshino, R., Okamoto, T. (2014) Dynamics of male and female chromatin during karyogamy in rice zygotes. Plant Physiol., 165: 1533-1543.
  10. Okamoto, T. (2014) Gene and protein expression profiles in rice gametes and zygotes: a cue for understanding the mechanisms in gametic and/or early zygotic development of angiosperms. In “Sexual Reproduction in Animals and Plants”, Eds, Sawada H., Inoue H., Iwano M., Springer, pp369-382.
  11. Abiko, M., Maeda, H., Tamura, K., Hara-Nishimura, I., Okamoto, T. (2013) Gene expression profiles in rice gametes and zygotes: Identification of gamete-enriched genes and up- or down-regulated genes in zygotes after fertilization. J. Exp. Bot. 64: 1927–1940.
  12. Abiko M., Furuta K., Yamauchi Y., Fujita C., Taoka M., Isobe T., Okamoto T. (2013) Identification of proteins enriched in rice egg or sperm cells by single-cell proteomics. PLOS ONE 8(7): e69578
  13. Okamoto T. (2011) In vitro fertilization with isolated rice gametes: production of zygotes and zygote and embryo culture. Methods Mol. Biol. 710: 17-27.
  14. Ohnishi T., Takanashi H., Mogi M., Takahashi H., Kikuchi H., Yano K., Okamoto T., Fujita M., Kurata N. and Tsutsumi N. (2011) Distinct gene expression profiles in egg and synergid cells of rice as revealed by cell type-specific microarrays. Plant Physiol. 155: 881-891.
  15. Okamoto T. (2010) Gamete fusion site on the egg cell and autonomous establishment of cell polarity in the zygote. Plant Signaling & Behavior, 5: 1464-1467
  16. Nakajima K., Uchiumi T. and Okamoto T. (2010) Positional relationship between the gamete fusion site and the first division plane in the rice zygote. J. Exp. Bot. 61: 3101-3105.
  17. Sato A., Toyooka K., and Okamoto T. (2010) Asymmetric cell division of rice zygotes located in embryo sac and produced by in vitro fertilization. Sex Plant Reprod. 23: 211–217.
  18. Takanashi, H., Ohnishi, T., Mogi, M., Okamoto, T., Arimura, S and Tsutsumi N. (2010) Studies of mitochondrial morphology and DNA amount in the rice egg cell. Curr. Genet. 56:33-41.
  19. Wang, S., Okamoto, T. (2009) Involvement of polypyrimidine tract-binding protein (PTB) related proteins in pollen germination in Arabidopsis. Plant Cell Physiol. 50: 179-190.
  20. Kranz, E., Hoshino, Y., Okamoto T. (2008) In vitro fertilization with isolated higher plant gametes. Methods Mol. Biol. 427: 51-69.
  21. Uchiumi, T., Uemura, I., Okamoto, T. (2007) Establishment of an in vitro fertilization system in rice (Oryza sativa L.). Planta 226:581-589.
  22. Uchiumi T., Komatsu S., Koshiba T. and Okamoto T. (2006) Isolation of gametes and central cells from Oryza sativa L. Sex Plant Reprod. 19: 37-45.
  23. <オーキシン関連>
  24. 小柴共一・神谷勇治編集(2010)『新しい植物ホルモンの科学』(第2版)講談社
  25. 小柴共一 (2010) 「6.1.2 植物体内の物質移動と植物ホルモン」『生物の事典』(朝倉書店)石原勝敏・末光隆志編集
  26. 小柴共一 (2009) 「第4章植物ホルモンによる制御」ベーシックマスター植物生理学(オーム社)塩井、井上、近藤編
  27. 小柴共一、神谷勇治、勝見允行編 (2006)「植物ホルモンの分子細胞生物学」講談社
  28. Suzuki, H., Matano, N., Nishimura, T., Koshiba, T. (2014) A 2,4-dichlorophenoxyacetic acid analog screened using a maize coleoptile system potentially inhibits indole-3-acetic acid influx in Arabidopsis thaliana. Plant Signal. Behav., 9: e29077.
  29. Suzuki, H., Okamoto, A., Kojima, A., Nishimura, T., Takano, M., Kagawa, T., Kadota, A., Kanegae, T., Koshiba, T. (2014) Blue-light regulation of ZmPHOT1 and ZmPHOT2 gene expression and the possible involvement of Zmphot1 in phototropism in maize coleoptiles. Planta, 240: 251-261.
  30. Nishimura, T., Hayashi, K., Suzuki, H., Gyohda, A., Takaoka, C., Sakaguchi, Y., Matsumoto, S., Kasahara, H., Sakai, T., Kato, J., Kamiya, Y., Koshiba, T. (2014) YUCASIN is a potent inhibitor of YUCCA(s), a key enzyme in auxin biosynthesis. Plant J. 77: 352-366.
  31. Nishimura, T. Koshiba, T. (2013) Auxin Biosynthesis and Polar Auxin Transport during Tropisms in Maize Coleoptiles. In “Signaling and Communication in Plants. Polar Auxin Transport”, Eds, Rujin Chen and Frantisek Baluška, Springer, p.221-238.
  32. Nishimura, T., Matano, N., Morishima, T., Kakinuma, C., Hayashi, K., Komano, T., Kubo, M., Hasebe, M., Kasahara, H., Kamiya, Y., *Koshiba, T. (2012) Identification of indole-3-acetic acid transport inhibitors including compounds affecting cellular PIN trafficking by two chemical screening approaches using maize coleoptile systems. Plant Cell Physiol. 53: 1671-1682. (2014 PCP 論文賞)
  33. Nishimura, T., Toyooka, K., Sato, M., Matsumoto, S., Lucas, M., Strnad, M., Baluska, F., Koshiba, T. (2011) Immunohistochemical observation of indole-3-acetic acid at the IAA synthetic maize coleoptile tips. Plant Signal. Behav., 6: 2013-2022.
  34. Nishimura, T. Koshiba, T. (2011) Indole-3-acetic acid biosynthesis and gravitropic responses in maize coleoptiles. Biol. Sci. Space, 25: 37-43.
  35. Nishimura, T., Toyooka, K., Sato, M., Matsumoto, S., Lucas, M., Strnad, M., Baluska, F., Koshiba, T. (2011) Immunohistochemical observation of indole-3-acetic acid at the active biosynthetic site of maize coleoptile tips. Plant Signal. Behav. 6: 2013-2022.
  36. Matsuda, S., Kajizuka, T., Kadota, A., *Nishimura, T., *Koshiba, T. (2011) NPH3- and PGP-like genes are exclusively expressed in apical tip region essential for blue-light perception and lateral auxin transport in maize coleoptiles. J. Exp. Bot. 62: 3459-3466.
  37. Nishimura, T., Koshiba T. (2010) Auxin biosynthesis site and polar transport in maize coleoptiles. Plant Signal. Behav. 7: 5-7.
  38. Nishimura, T., Nakano, H., Hayashi, K., Niwa, C., Koshiba, T. (2009) Differential downward stream of auxin synthesized at the tip has a key role in gravitropic curvature via TIR1/AFBs-mediated auxin signaling pathways. Plant Cell Physiol. 50:1874-1885.
  39. Sugawara, S., Hishiyama, S., Jikumaru, Y., Hanada, A., Nishimura, T., Koshiba, T., Zhao, Y., Kamiya, Y., Kasahara, H. (2009) Biochemical analyses of indole-3-acetaldoxime-dependent auxin biosynthesis in Arabidopsis. PNAS 106: 5430-5435.
  40. Koshiba, T., Kamiya, Y., Iino, M. (1995) Biosynthesis of indole-3-acetic acid from L-tryptophan in coleoptile tips of maize (Zea mays L.). Plant Cell Physiol., 36: 1503-1510.
©2015 Department of Biological Sciences, Tokyo Metropolitan University