研究室・教員

植物生理学 (遠藤研究室)

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教授
遠藤 求
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endo@bs.naist.jp

研究・教育の概要

ほとんどの生物は自身の体の中に時計を持っており、それを使って周期的な環境変化を予測し、対応しています。中でもおよそ24時間のリズムを刻む概日時計は、植物では、遺伝子発現や細胞伸長、花芽形成など様々な生理応答に関わっています。私たちの研究室では、高い時空間分解能で解析するための技術開発を行うことで、概日時計の役割を理解することを目標にしています。さらに、概日時計による重要なアウトプットである季節に応じた花芽形成メカニズムを明らかにし、それを制御することも目指します。

これらの研究を通して、植物に対する理解を深めるだけでなく、何が問題であるかを見極めそれに対する適切な検証方法を設定する能力を身につけていきます。

主な研究テーマ

器官・組織・細胞レベルでの概日時計の機能解析

生物の体内には様々な時間が流れています。中でも一般的に体内時計として知られている概日時計は、ほとんどの生物でその存在が確認されています。植物では、遺伝子発現リズムといった分子レベルから花芽形成(花成)や細胞伸長、就眠運動といった個体レベルに至るまで生命現象の様々な階層において概日リズムが見られます。こうした概日リズムは、技術的な難しさからこれまで個体レベルで解析されることが多かったのですが、器官・組織・細胞レベルで概日リズムを計測するとその様相は大きく異なっていることが明らかになりつつあります。

そこで、私たちはこうした概日リズムをより高い時空間分解能で計測し、そうして明らかにされる様々な性質のリズムが持つ生物学的意義やそれらが生み出される仕組み、異なる器官・組織間での時間情報の伝達メカニズム、最終的な生理応答との関連などを明らかにすることを目指します。

概日時計を介した光周性花成の理解と制御

植物における概日時計の代表的なアウトプットとして光周性花成があります。これまでの研究から、花成ホルモン(フロリゲン)として知られているFTタンパク質(イネではHd3aタンパク質)の発現制御メカニズムやその下流のシグナル伝達経路についての理解はかなり深まってきましたが、概日時計を介してどのように季節を認識しているのかについてはあまり分かっていません。日長以外にも温度や栄養、光質(赤色光と遠赤色光の比)なども概日時計の入力刺激として重要であることから、それらが概日リズムや光周性花成にどのように影響しているのかについて理解を深め、植物の季節認識メカニズムを統合的に理解します。さらに、こうした解析から明らかとなる結果を利用して、非形質転換で花成時期を任意に制御する技術の開発を行います。

高い時空間分解能での解析を可能にする新規技術の開発

高い時空間分解能で概日リズムを解析するためには既存の方法では必ずしも十分ではありません。物理的に組織や細胞を単離するだけでなく、非侵襲な測定系や1細胞トランスクリプトームデータ解析のためのアルゴリズムなど新しい発想による測定系・解析系を作ることで、新しい発見を行うためのエンジンとします。

図1
(図1) 概日時計を介した組織特異的な環境応答。概日時計は様々な生理応答に関わっているが、組織レベルの解析から、環境刺激の種類ごとに応答場が概ね決まっていることが明らかとなった。
図2
(図2) 概日時計を介した温度、栄養、光質による花成制御メカニズムの理解し、農作物での生長制御につなげる。
図3
(図3) 組織特異的な概日リズムの計測。多くの時計遺伝子は個体全体で発現しているが(上段)、Tissue-Specific Luciferase Assayと名付けた方法によって組織ごとに概日リズムを計測することが可能となった(中・下段)。この結果、組織ごとに位相が大き異なっており、組織ごとに概日時計の特性が異なることが明らかとなった。

主な発表論文・著作

  1. Uemoto et al., Methods Mol Biol. Accepted
  2. Endo et al., Nat Protoc., 11, 1388-1395, 2016
  3. Shimizu et al., Plant Signal Behav., 11, e1143999, 2016
  4. Shimizu et al., Nat Plants., 1, 15163, 2015
  5. Endo et al., Nature, 515, 419-422, 2014
  6. Niwa et al., Plant Cell, 25, 1228-1242, 2013
  7. Endo et al., Proc Natl Acad Sci U S A, 110, 18017-18022, 2013