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
https://bsw3.naist.jp/nakajima/

研究・教育の概要

植物発生シグナル研究室では、外的・内的な環境に応答した植物のダイナミックな成長を統御する機構やその進化過程を明らかにする研究に取り組んでいます。分子生物学や遺伝学の手法に、ライブイメージングや画像解析、さらには数理生物学や計算機シミュレーションを融合させ、植物の発生と成長を司る未知の原理を、遺伝子、オルガネラ、細胞のレベルで解き明かします。(図1)

主な研究テーマ

植物の動的成長を駆動するメカニズム

植物は外的・内的な因子に応じて自らの形を柔軟に変化させながら成長します。この特性は、生育環境を自ら変えることが出来ない植物にとって重要な生存戦略の1つです。植物が環境に応じて形や成長方向を変えるためには、個々の細胞が分裂周期や形態を変化させながら、かつ全体として統一された行動をとらなければなりません。そのような複雑な芸当を、中枢神経を持たない植物がどのように成し遂げているかは大きな謎に満ちています。私たちは、上記の問いをシロイヌナズナの根をモデルとした研究から解き明かそうとしています(図2)。

代謝産物を介した根と微生物の相互作用

根が生育する土壌中には、植物に病気を引き起こす病原菌や植物成長を助ける有用菌など多種多様な微生物が棲息しており、根はこれら微生物と共存しながら成長します。微生物との相互作用に必要な植物遺伝子がこれまでに多数報告されていますが、ダイナミックに進行する植物と微生物の相互作用において、それら因子が「いつ、どこで、どのように」働いているかについては、未だに多くの疑問が残されています。私たちは、最先端のイメージング技術を駆使し、微生物相互作用における根の組織特異的な細胞機能やそれがもたらす代謝経路の活性化動態を見出すことで、植物と微生物の共存を可能にする分子制御メカニズムに迫ろうとしています(図3)。

有性生殖システムの制御機構と進化

有性生殖は子孫の形質に多様性を与えることで生物の進化を駆動します。有性生殖の制御系を明らかにすることは、食糧の増産やエネルギーの確保にも重要です。一方で種子植物の生殖細胞は花器官の奥深くで作られ受精するため、その形成過程を可視化することは非常に困難です。私たちは、適度な進化的距離をもつ2つのモデル植物、すなわちゼニゴケとシロイヌナズナの形態や遺伝子を比較することで、植物に共通した生殖細胞の形成機構や、多様な性形態の進化過程を明らかにしようとしています(図4)。

図1
(図1) 植物は環境条件に合わせて自らの成長を最適化する
図2
(図2) 根の屈曲や廻旋運動を生み出す機構
図3
(図3) 根冠細胞と土壌環境との相互作用機構
図4
(図4) 陸上植物における有性生殖の共通性と多様性

主な発表論文・著作

  1. Koi et al., Curr. Biol., 26, 1775-1781, 2016
  2. Kamiya et al., Development, 143, 4063-4072, 2016
  3. Nakajima, Curr. Opin. Plant Biol., 41, 110-115, 2018
  4. Miyashima, Roszak, Sevilem et al., Nature, 565, 490-494, 2019
  5. Hisanaga, Okahashi et al., EMBO J., 38, e100240, 2019
  6. Hisanaga, Yamaoka, Kawashima et al., Nature Plants, 5, 663-669, 2019
  7. Fujiwara, Goh, Tsugawa et al., Development, 148, dev196253, 2021
  8. Hisanaga et al., eLife, 10, e57090, 2021
  9. Goh, Sakamoto et al., Development, 149, dev200593, 2022