研究室・教員

植物成長制御 (梅田研究室)

梅田正明教授の顔写真
教授
梅田 正明
助教
高塚 大知、髙橋 直紀
Email
{ mumeda, h-takatsuka, naoki }@bs.naist.jp
研究室HP
http://bsw3.naist.jp/umeda/

研究・教育の概要

植物は一生を通じて器官形成を繰り返します。これは、器官形成を胚発生後すぐに終える動物とは大きく異なる特徴です。このような植物に特徴的な成長様式を支えるのは、幹細胞とDNA倍加です。私達は、植物の幹細胞がいかに創り出され維持されるのか、また細胞分裂を終えた細胞がどのようにDNA倍加を始め細胞を巨大化させるのか、という点に焦点をあて、その分子メカニズムを解明しようとしています。このような研究を通して、植物の器官形成と成長制御の仕組みを理解するとともに、食糧やバイオマスの増産に繋がるような新たな技術開発を目指しています(図1)。

主な研究テーマ

植物の幹細胞の増殖・維持機構

セコイアが3000年以上生き続けるように、植物は永続的な生命力をもっています。また、植物は一生を通じて成長を続け、個体を大きくする特徴をもっています。このような成長様式は、様々な環境や物理的ストレスに曝されても、一生を通じて幹細胞を増やし、維持することにより可能となります。しかし、植物の幹細胞の増殖・維持機構についてはほとんど知見が得られていません。私達は、幹細胞を完全に失った際に新たな幹細胞を生み出す機構について研究しています(図2)。また、環境ストレスにより幹細胞が死滅した際の幹細胞再生機構についても研究しています。これらの研究は、植物に特徴的な分化全能性や組織再生のメカニズムの理解に繋がると考えています。

DNA倍加の誘導機構

多くの植物では、細胞分裂を終えた後にDNA倍加(細胞周期の分裂期をスキップしてDNA複製のみを繰り返すサイクル)が起こり、細胞が巨大化します。DNA倍加は器官や個体サイズを大きくする原動力となることから、地球上の植物バイオマス生産のかなりの部分はDNA倍加に依存していると言えます(図3)。しかし、DNA倍加の誘導機構については不明な点が多く、その誘発技術も確立されていません。私達は、DNA倍加の誘導に細胞周期の制御だけでなく、クロマチンの構造制御も重要であることを見出しました。この発見により、DNA倍加の誘導メカニズムの解明が飛躍的に進むと考えられます。得られた知見を利用して、穀物・果実・樹木でDNA倍加を誘発する技術を開発し、食糧やバイオマスの増産を実現しようとしています。

(図1)
(図1) 研究のねらい。
植物に特徴的な幹細胞の増殖・維持機構とDNAの誘導機構を解明し、植物の器官形成と成長制御の仕組みを理解する。そして、得られた知見を利用して、食糧やバイオマスの増産をもたらす新規技術の開発を目指す。
(図2)
(図2) 植物の生命力を支える幹細胞の増殖・維持能力。
(上)根の先端にある幹細胞を切除すると、体細胞のリプログラミングが起き、新たな幹細胞が新生する。
(下)植物は幹細胞を体中に増やし維持することにより、永続的で旺盛な生命力を発揮している。
(図3)
(図3) DNA倍加による植物器官サイズの増大。
DNA倍加が起こると、細胞が巨大化し、器官サイズが増大するので、バイオマスの増産につながる。

主な発表論文・著作

  1. Chen P. et al., Nature Commun., 8, 635, 2017
  2. Ueda M. et al., Genes Dev., 31, 617-627, 2017
  3. TWeimer A.K. et al., EMBO J., 35, 2068-2086, 2016
  4. Takatsuka H. et al., Plant J., 82, 1004-1017, 2015
  5. Kobayashi K. et al., EMBO J., 34, 1992-2007, 2015
  6. Yin K. et al., Plant J., 80, 541-552, 2014
  7. Yi D. et al., Plant Cell, 26, 296-309, 2014
  8. Takahashi N. et al., Curr. Biol., 23, 1812-1817, 2013
  9. Yoshiyama K.O. et al., EMBO Rep., 14, 817-822, 2013
  10. Nobusawa T. et al., PLoS Biol., 11, e1001531, 2013
  11. Breuer C. et al., EMBO J., 31, 4488-4501, 2012
  12. Adachi S. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 108, 10004-10009, 2011
  13. Kono A. et al., Plant Cell, 19, 1265-1277, 2007
  14. Yamaguchi M. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 100, 8019-8023, 2003
  15. Umeda M. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 97, 13396-13400, 2000