研究室・教員

植物発生シグナル (中島研究室)

中島敬二教授の顔写真
教授
中島 敬二
助教
宮島 俊介、郷 達明
Email
{ k-nakaji, s-miyash, goh }@bs.naist.jp
研究室HP
http://bsw3.naist.jp/nakajima/

研究・教育の概要

植物の個体は受精卵という単一細胞に由来し、根や葉や花などの器官内に様々な組織を精密に配置することで形作られます(図1)。この過程では、個々の細胞が器官内の位置に応じて独自の形態や機能を獲得します。一方、生殖生長期には、複雑な多細胞体から単細胞の生殖細胞が作られ、分化全能性が賦与されます(図1)。植物の生活環で個々の細胞が特殊化し、また1つの全能性細胞へと戻る過程は生命の神秘であり、そのメカニズムの解明は、生命科学における最も重要な研究課題の1つです。

植物発生シグナル研究室では、シロイヌナズナやコケ植物を用いて、組織パターンや生殖細胞の形成機構を明らかにする研究に取り組んでいます。特に組織配置を制御する細胞間コミュニケーションや、細胞の分化を機能発現のレベルで捉える研究に取り組んでいます。また植物に共通した初期化(リプログラミング)因子を発見し、これを用いて生殖細胞の形成や多能性の発現機構を解明する研究に取り組んでいます。これらの研究は、基礎生物学のみならず、バイオマス燃料やバイオリファイナリーによる高付加価値物質の生産にも貢献することが期待されます。

主な研究テーマ

根の細胞分化制御:細胞間シグナルと生長イメージング

植物細胞は細胞壁によって固定されているため、位置や方向を変えることが出来ません。そのため植物の組織形成では、細胞の分裂や分化を精密かつ柔軟に制御する必要があります。私たちは根の細胞どうしが転写因子やマイクロRNAなどの制御因子を直接やり取りすることで、互いの分裂や分化を制御し合っていることを明らかにし、このような発生シグナル伝達経路の機能や普遍性を明らかにする研究を行っています。また根の組織分化を制御するマスター因子を捕え、それらの下流で分化の実体を担う遺伝子群を網羅的に同定しています。成長途上の根における遺伝子発現と、細胞機能の獲得過程を独自のイメージング技術により捉え、細胞分化の実体と個体成長への寄与を明らかにする研究に取り組んでいます(図2)。

分化全能性の発現機構:生殖細胞の分化と胚発生

胚発生初期に生殖細胞系列が分離する動物とは異なり、植物の生殖細胞は個体発生の後期に花器官の中に作られます。そのため、花器官の中にある分化した体細胞(somatic cell)を、全能性を持つ生殖細胞(germ cell)へと初期化するスイッチが必要になります。私たちは、植物界に保存された初期化制御因子を発見し、その作用メカニズムの解明を通じて、植物における多能性の発現機構や、生殖細胞の形成機構を明らかにしようとしています。またこの因子を植物細胞の分化誘導や、効率的な繁殖技術に応用する研究にも取り組んでいます(図3)。

(図1) 植物の生活環は受精卵からの「複雑化」と、生殖細胞への「単純化」の繰り返しである。細胞分化のレベルでは、後者を複雑化と捉えることができる。
(図1) 植物の生活環は受精卵からの「複雑化」と、生殖細胞への「単純化」の繰り返しである。細胞分化のレベルでは、後者を複雑化と捉えることができる。
(図2) シロイヌナズナの根では、細胞間シグナルを通じて組織配置が決定され、組織分化のマスター制御因子が活性化される。マスター因子を手掛かりに分化の実体を担う遺伝子群を網羅的に捉えることが出来る。それらの機能を遺伝学やイメージング技術を駆使して解明し、組織分化の制御機構を包括的に明らかにする。
(図2) シロイヌナズナの根では、細胞間シグナルを通じて組織配置が決定され、組織分化のマスター制御因子が活性化される。マスター因子を手掛かりに分化の実体を担う遺伝子群を網羅的に捉えることが出来る。それらの機能を遺伝学やイメージング技術を駆使して解明し、組織分化の制御機構を包括的に明らかにする。
(図3) RKDは生殖細胞形成や胚発生の制御因子であり、初期化能を持っている。RKDの機能を明らかにすることで、植物細胞の分化全能性発現機構が明らかになる。また有用植物の効率的な繁殖にも応用できる。
(図3) RKDは生殖細胞形成や胚発生の制御因子であり、初期化能を持っている。RKDの機能を明らかにすることで、植物細胞の分化全能性発現機構が明らかになる。また有用植物の効率的な繁殖にも応用できる。

主な発表論文・著作

  1. Nakajima et al., Nature, 413, 307-311, 2001
  2. Nakajima et al., Plant Cell, 16, 1178-1190, 2004
  3. Sarkar et al., Nature, 446, 811-814, 2007
  4. Miyashima et al., Development, 138, 2303-2313, 2011
  5. Waki et al., Curr. Biol., 21, 1277-1281, 2011
  6. Waki et al. Plant J., 73, 357-367, 2013
  7. Miyashima et al., Plant Cell Physiol., 54, 375-384, 2013
  8. Hisanaga et al., Curr. Opin. Plant Biol., 21, 37-42, 2014
  9. Koi et al., Curr. Biol., 26, 1775-1781, 2016