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生命科学科・大学院生命科学専攻
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⇒応用生命科学領域
(大学院)
植物発生生理学研究室
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私たちは植物の発生や生理現象に興味をもって研究を進めており、主に下の2つの研究テーマを推進しています。

【植物の受精と胚発生過程を顕微鏡下で再現することで植物の発生原理を知り、そして新たな植物を創生する】

【植物の可塑的な発生プログラムを支える細胞の運命決定様式を探る】

詳しい研究内容については下記をご覧下さい。


所属教員
岡本 龍史・教授
古川 聡子・助 教
木下 温子・助 教
研究室訪問の申し込みhyperlink
 大学院受験希望の方は、是非、研究室を見に来て下さい。
研究内容
植物の受精と胚発生を顕微鏡下で再現し、発生原理を知る
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図1 植物の受精様式
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、重複受精により胚と胚乳からなる種子が形成されます。また、この受精過程の最初のステップでは、精細胞と卵細胞の融合により受精卵が生じますが(図1)、その受精卵の中では、細胞の活性化、雌雄ゲノムの合一・混合、両親ゲノムの協調による発生プラグラムの起動、細胞内極性の再構成、および娘細胞の運命決定など、初期胚発生における重要な発生現象が連続して生じています。しかしながら、受精卵の発生は雌しべの奥底で起こることから解析が非常に難しいことから、その発生機構を支える仕組みの多くは未知のままです。我々はモデル植物であり、かつ、食糧としても重要なイネおよびコムギ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2)、植物の受精や受精卵発生の機構の解析を進めています。これまでに下記の機構を明らかにしてきましたが、まだ受精卵発生機構には未解明な点が多く、今後もさらに研究を推進してゆきます。

・核合一過程の可視化と核移動メカニズム
・受精誘導性遺伝子群の同定
・受精点と発生軸の関係
・受精による細胞周期再開機構
・多精受精卵の発生様式
・受精卵発生における雌雄ゲノム機構
・受精卵の発生誘導を司る転写因子の特定

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図2 イネ in vitro 受精系
新たな植物を創生する
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図3 イネ、コムギ、トウモロコシの系統関係
三大穀物であるコムギ、イネ、トウモロコシは世界の穀物生産の約9割を占めていますが、異なる亜科に属していることから交配による交雑が非常に困難であり、それらがもつ優れた遺伝資源を相互に利用することは出来ませんでした(図3)。一方で、近年の気候変動や人口増加に目を向けると、人類の食料生産はこれまでにない危機に直面しているといっても過言ではありません。それゆえ、コムギ、イネ、トウモロコシなどの間の交雑不全を乗り越え、新たな交雑植物を作出する技術の確立が求められていました。
 我々の研究室では、コムギおよびイネの花から単離した配偶子(卵細胞と精細胞)を様々な組み合わせで融合させ、多様なコムギ−イネ交雑受精卵を作出し、それらの発生過程を解析することで、コムギ−イネ雑種植物へと生育するコムギ−イネ異質倍数性交雑受精卵の人工的な作出に成功しました(図4)。この結果は、コムギとイネの遺伝子資源の相互利用に向けた大きな一歩であり、また、新たな育種技術としても期待されます。また、IVF 法は配偶子の単離が可能な植物種に適応可能であることから、コムギとイネだけに留まらず、トウモロコシ、オオムギ、サトウキビなどの多くの有用植物間の遠縁雑種植物の作出も視野に入ってきます。さらには、コムギ−イネ雑種受精卵の発生過程を解析することで、遠縁雑種植物の成立機構についての知見が得られることが考えらます。
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図3. 顕微授精法によるイネ−コムギ雑種植物の作出. コムギ精細胞とイネ卵細胞を融合させた受精卵 (A) は球状様胚まで発生するが、交雑不全が生じるのでそれ以降は発生できない。一方、コムギ精細胞、イネ卵細胞、コムギ卵細胞の組み合わせで作出した交雑受精卵(異質倍数性)(B) は、交雑不全を示すことなく植物体にまで発生する。
植物の可塑的な発生プログラムを支える細胞の運命決定様式の研究
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動物と植物の発生様式
多細胞生物では、機能の異なる多くの細胞が集まって、一つの個体を形成しています。これら個々の細胞の運命はどのように決まるのでしょうか。
 動物でも植物でも、受精卵はどんな細胞にも分化することができます。この分化全能性は発生が進むにつれ失われ、個々の細胞は特徴的な機能を持った細胞へと分化していきます。この過程は、通常動物では胚発生の過程で完了し、一度分化した細胞が再び全能性を獲得するためにはiPS細胞のように人工的に遺伝子を導入する必要があります。
 一方、植物では一部の細胞が多能性幹細胞として茎頂メリステムに残り、胚発生の過程が終わっても、葉や茎、花などの新しい器官を次々に生み出すことができます。また、完全に分化した体細胞も、単離・培養により個体を再生する能力をもつことから、植物では分化した細胞も比較的容易に分化全能性を獲得できると考えられています。
 私たちは、このように植物の特徴的な発生様式を研究するため、単子葉モデル植物であるイネと、双子葉モデル植物であるシロイヌナズナを用いて解析をすすめています。
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受精卵を用いたゲノム編集
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図5 DL遺伝子のゲノム編集イネ(右)と野生型イネ(左)
2013年にCRISPR/Cas9が新しいゲノム編集ツールとして発表された以降、植物の基礎的研究や品種改良の分野でもゲノム編集に関する研究が飛躍的に進んでいるが、広く実用化を目指すためには2つの問題、「組織培養による高効率な再分化系の確立」と「遺伝子組換えの回避」をクリアすることが必要である。我々はイネ受精卵へのCas9タンパク質-gRNA RNPの直接的に導入によることによりゲノム編集植物を作出する系を確立することで、遺伝子組換え植物に相当しないゲノム編集植物の作出を可能にした(図5,6)。特に、イネ、コムギ、トウモロコシという3大穀物の受精卵の調製については、in vitro受精系と受粉子房からの単離の双方が可能であり、それら受精卵を用いたゲノム編集は新たな分子育種技術の一つになりうると期待されている。
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図6 イネ受精卵を用いたゲノム編集体の作出法
研究室メンバー および 研究業績
教授 岡本 龍史
助教 古川 聡子
助教 木下 温子
博士後期課程 渡辺 選子、Kasidit Rattanawong、Tety Maryenti、Hanifah Aini
博士前期課程 赤坂 大輔、澤本 陸、増尾心之介、渡辺 真史
卒業研究 鈴木綾佳、姫野翔
客員准教授 瀬尾光範
客員研究員 加藤 紀夫、内海 貴夫、大西由之佑

【原著論文】
Aini H., Sato Y., Uno K., Higashiyama T., *Okamoto T. (2021) Dynamics of mitochondrial distribution during development and asymmetric division of rice zygotes. Plant Reproduction, in press

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Rattanawong K., Koiso N., Toda E., Kinoshita A., Tanaka M., Tsuji H., *Okamoto T. (2021) Regulatory functions of ROS dynamics via glutathione metabolism and glutathione peroxidase activity in developing rice zygote. Plant J. in press

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