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
https://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続けます。これは、胚発生初期に器官形成を終える動物とは大きく異なる特徴です。私達は、植物の幹細胞が組織の中でいかに維持されているのか、環境ストレスに応答して細胞増殖を停止させるメカニズムは何か、細胞分裂を終えた細胞がどのようにDNA倍加を起こし器官を巨大化させるのか、といった課題を解決すべく、最先端技術を駆使して研究に取り組んでいます。これらの課題は、変動する環境下で生存し成長を続ける植物の「生き様」を理解する上で非常に重要です。植物の器官形成や成長制御の仕組みを解明するだけでなく、食糧やバイオマスの増産に繋がるような植物の成長改変技術の開発も視野に入れて、研究を進めています。

主な研究テーマ

植物の幹細胞の増殖・維持機構

植物は一生を通じて成長を続け、個体を大きくします。このような成長様式を実現するには、様々な環境ストレスに曝されても幹細胞を絶やさない仕組みが必要不可欠です。しかし、多能性をもつ植物の幹細胞を生成・維持する機構については未解明な部分が多くあります。私達は、幹細胞を積極的に死滅させ、新たな幹細胞を再生する機構について研究しています(図1)。また、このような仕組みを通して幹細胞ゲノムを安定に維持する機構についても理解し、植物成長の改変技術に応用しようとしています。

環境ストレスに応答した細胞増殖の統御機構

移動することができない植物は、外部環境からストレスを受けると細胞増殖を停止させ、ストレスへの対処を優先させます。したがって、ストレスに強い植物を作出するには、個々のストレスに耐性をもつだけでなく、細胞増殖を止めない植物を創る必要があります。私達は最近、植物が様々な環境ストレスに応じて細胞周期を停止させる機構を明らかにしました(図2)。そのシグナル伝達機構を解明することにより、複合ストレスに耐性をもつ植物の作出を目指しています。

DNA倍加の誘導機構

多くの植物は、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)を起こし、細胞や器官を巨大化させます。最近の私達の研究により、クロマチンの構造変化がDNA倍加の誘導に重要であることが明らかになりました(図3)。現在、この関係性に潜む分子機構を明らかにしようとしています。また、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飛躍的増産を実現しようとしています。

(図1)
(図1) 幹細胞の死と再生。
DNAが損傷すると幹細胞が積極的に細胞死を起こす。一方で、隣接する静止中心細胞が分裂を始め、新たな幹細胞を再生する。これにより多能性幹細胞が保持され、一生を通じて器官形成を続けることができる。左の写真で赤く染まった部分が死んだ幹細胞を示す。
(図2)
(図2) 環境ストレスに応答した細胞周期の停止機構。
DNA損傷や高温ストレスを受けると、植物は独自の転写カスケードを活性化し、転写因子MYB3R3/5を高蓄積させる。これにより細胞周期をG2期で停止させる。右の写真はMYB3R3-GFPの蛍光(緑色)を示す。
(図3)
(図3) DNA倍加の誘導機構の理解とその応用。
クロマチン構造変化によるDNA倍加の誘導機構を解明することにより、食料・バイオマスの増産につながるDNA倍加の誘発技術を開発する。

主な発表論文・著作

  1. Takahashi N. et al., eLife, in press
  2. Takatsuka H. et al., Plant Physiol., 178, 1130-1141, 2018
  3. Ogita N. et al., Plant J., 94, 439-453, 2018
  4. Chen P. et al., Nature Commun., 8, 635, 2017
  5. Ueda M. et al., Genes Dev., 31, 617-627, 2017
  6. Weimer A.K. et al., EMBO J., 35, 2068-2086, 2016
  7. Kobayashi K. et al., EMBO J., 34, 1992-2007, 2015
  8. Takatsuka H. et al., Plant J., 82, 1004-1017, 2015
  9. Yin K. et al., Plant J., 80, 541-552, 2014
  10. Takatsuka H. and Umeda M., J. Exp. Bot., 65, 2633-2643, 2014
  11. Takahashi N. et al., Curr. Biol., 23, 1812-1817, 2013
  12. Yoshiyama K.O. et al., EMBO Rep., 14, 817-822, 2013
  13. Nobusawa T. et al., PLOS Biol., 11, e1001531, 2013
  14. Adachi S. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 108, 10004-10009, 2011
  15. Kono A. et al., Plant Cell, 19, 1265-1277, 2007
  16. Yamaguchi M. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 100, 8019-8023, 2003