研究室・教員

植物代謝制御 (出村研究室)

出村拓教授の顔写真
教授
出村 拓
助教
國枝 正、中田 未友希
Email
{ demura, kunieda-t, miyuki-t-nakata }@bs.naist.jp
研究室HP
https://bsw3.naist.jp/demura/

研究・教育の概要

持続可能な社会の構築に向けて、エネルギー生産、環境再生、食糧増産に役立つ植物の創出と活用に関する研究と教育を行っています。モデル植物や実用植物を材料とした分子生物学的研究や構造力学解析の結果をもとに、木質バイオマスの制御や力学的最適化、物質輸送制御のメカニズムを解明し、有用バイオマス植物作出につながる新規バイオテクノロジーの開発を進めます。

主な研究テーマ

有用バイオマス植物の開発

様々なモデル研究システム(シロイヌナズナや培養細胞)を用いて、木質バイオマスを構成する木質細胞の分化を制御するしくみの解明に取り組んでいます。とくに、オミクス(ゲノム、トランスクリプトーム、プロテオーム、メタボローム)情報をベースにした統合的な解析により、木質細胞の一種である道管細胞の分化や、木質バイオマスの本体である植物細胞壁の生合成を制御する遺伝子の発見に成功しています(図1)。木質バイオマスを改良したモデル樹木の開発や(図2)、コケ植物などの多様な植物種を用いた進化発生的研究にも取り組んでいます(図3)。これらを通じ、有用バイオマス植物作出に向けた汎用性の高い基盤技術の開発研究を推進しています。

植物の力学的最適化メカニズムに基づく基盤技術の開発

植物は発生や環境応答の過程で自らの身体構造を力学的に最適な形へと変化させています。この植物の力学的最適化システムを、さまざまなスケール(生体分子−細胞−組織−個体)で解析し、そのメカニズムの解明を進めています。原子間力顕微鏡AFMを用いた力学特性解析や、タイムラプスカメラ・マイクロX線CT・IoT機器(Raspberry Piなど)を用いた3D・4D構造特性解析、これらと数理解析を組み合わせた構造力学解析に取り組んでいます。得られた研究成果をもとに、植物の高機能化といった次世代バイオ基盤技術の確立をはじめ、地震や台風、四季の温度差など日本という国土固有の多様な環境因子に調和したサステナブル建築への応用展開を目指しています。

植物の膜系細胞小器官による物質輸送制御

植物細胞で物質を効率的に生産させるためには、生合成反応の向上に加えて、産生された物質が細胞内において、「いつ」、「どこに」、「どのように」して合成、運搬、蓄積されるかの時空間的な制御メカニズムの理解が必要不可欠です。細胞内で合成された植物細胞壁の構成成分が細胞外へと分泌されることに着目して、その分泌を支えるための膜系細胞小器官による物質輸送制御の仕組みを明らかにすることに取り組んでいます(図4)。得られた成果を踏まえながら、細胞内物質輸送をコントロールする基盤技術の開発を目指しています。

図1
(図1) 道管細胞分化のマスター転写制御因子VND7
当研究室ではVND7の活性化による道管細胞分化誘導実験系を確立しています。この系を用い、植物細胞壁の生合成や制御に係る遺伝子の解明に取り組んでいます。
図2
(図2) モデル樹木のポプラの木質バイオマスの改良
図3
(図3) モデルコケ植物ヒメツリガネゴケ変異体
道管細胞分化マスター因子であるVND7のホモログ遺伝子を欠損したppvns変異体では葉や茎の通水細胞(h)が異常になり、水輸送の能力が低下します。さらに支持細胞(s)の細胞壁がうすくなります。
図4
(図4) シロイヌナズナ種子を覆う細胞壁“ムシレージ”
シロイヌナズナの種子は細胞壁構成成分のペクチンを大量に合成して、自身を完全に覆います。ムシレージと呼ばれるこの特殊化した細胞壁(赤色の染色領域)を実験系にして、細胞内輸送制御メカニズムの解明を目指しています。(左:野生型、右:ムシレージ変異体;スケールバー = 300 µm)

主な発表論文・著作

  1. Nakano et al., Front. Plant Sci., 13, 819360, 2022
  2. Hirai et al., Front. Plant Sci., 13, 825810, 2022
  3. Akiyoshi et al., Plant Cell Physiol., 62, 1963–1974, 2021
  4. Terada S. Et al., Plant Mol. Biol., 106, 309-317, 2021
  5. Nakata M.T. et al., Front. Plant Sci., 12, pp654655, 2021
  6. Ramachandran V. et al., Plant Mol Biol, 104, 263-281, 2020
  7. Yoneda et al., Plants, 9, 604, 2020
  8. Tsugawa S. et al., Plant Biotechnol, 37, 443-450, 2020
  9. Kunieda T. et al., Plant Biotechnol, 37, 465-469, 2020
  10. Nakata M.T. et al., Plant Biotechnol, 37, 471-474, 2020
  11. Kunieda T et al., Plant and Cell Physiology, 61, 308-317, 2020
  12. Tsugawa S, J. Journal of Theoretical Biology, 486, 110092, 2020
  13. Akiyoshi N et al., Tree Physiology, 2020
  14. Tamura T et al., Plant Journal, 100, 298-313, 2019
  15. Kubo M et al., Nucleic Acids Research, 47, 4539-4553, 2019
  16. Chiam NC et al., Plant and Cell Physiology, 60, 2000-2014, 2019
  17. Ohtani M et al., Current Opinion in Biotechnology, 56, 82-87, 2019
  18. Takenaka Y et al., The Plant Cell, 30, 2663-2676, 2018
  19. Noguchi M et al, Plant Biotechnology, 35, 31-37, 2018
  20. Tan T et al., Plant Physiology, 176, 773-789, 2018
  21. Xu B et al., Science, 343, 1505-1508, 2014