NAIST 奈良先端科学技術大学院大学 バイオサイエンス領域

研究室・教員

植物発生シグナル (中島研究室)

バイオ 情報生命 バイオナノ データ

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、変動する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、陸上植物における有性生殖の制御系と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

環境に応答した根の動的な成長を統御する機構

植物の根は、個体の固着、栄養や水分の吸収、土壌微生物との相互作用といった固有の機能を通じて植物の生命活動を支えています。植物の根は変動する環境に応答し、細胞の形態や器官の成長ベクトル、さらには代謝経路や分泌経路を動的かつ精密に変化させながら成長しています。私たちは成長する根の遺伝子発現や細胞動態を高精細に捉える独自のライブイメージング技術を開発し、これを用いて植物器官の動的・可塑的な成長メカニズムを明らかにする以下の研究に取り組んでいます。

  • 根の屈曲や廻旋運動を生み出す機構:植物の根は重力、水分、光などの環境因子に応じて成長方向を変化させます。屈曲を生み出す仕組みは、古くからオーキシンに依存した細胞の偏差成長で説明されていますが、細胞レベルの詳細は不明です。また根は定常状態でも屈曲や旋回を繰り返しながら成長していますが、その生理的意義やメカニズムも不明です。私たちはライブイメージングに画像解析技術や数理的手法を融合させ、根の自在な成長を制御する機構に迫ります(図2)。
  • 根冠細胞と土壌環境との相互作用機構:根冠は根の先端を覆うキャップ状の組織で、土壌環境との相互作用を通じて根の成長を最適化する中枢機能を担っています。私たちは根冠分化のマスター制御遺伝子を同定し、これをもとに病原微生物への耐性や分泌経路を担う遺伝子、さらには一定の周期で生細胞をターンオーバーさせる遺伝子などを同定しました。これらの遺伝子群が根冠のユニークな機能を発揮させ、根の動的な成長を司る仕組みを明らかにします(図3)。

陸上植物における有性生殖の保存性と多様性の進化

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比較解析を通じ、植物界に保存された生殖細胞形成の制御遺伝子RKDや、性分化の制御遺伝子FGMYBを発見しました。これらの制御因子の機能を比較解析することで、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ます(図4)。

図1
(図1) おもな研究手法
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. Miyashima et al., Development, 138, 2303-2313, 2011
  2. Waki et al., Curr. Biol., 21, 1277-1281, 2011
  3. Waki et al. Plant J., 73, 357-367, 2013
  4. Hisanaga et al., Curr. Opin. Plant Biol., 21, 37-42, 2014
  5. Koi et al., Curr. Biol., 26, 1775-1781, 2016
  6. Kamiya et al., Development, 143, 4063-4072, 2016
  7. Nakajima, Curr. Opin. Plant Biol., 41, 110-115, 2018
  8. Miyashima et al., Nature, 565, 490–494, 2019
  9. Hisanaga et al., EMBO J., 38, e100240, 2019
  10. Hisanaga et al., Nature Plants, 5, 663–669, 2019