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

植物生理学 (遠藤研究室)

バイオ 情報生命 バイオナノ データ

遠藤求教授の顔写真
教授
遠藤 求
助教
久保田 茜、 高橋 望
Email
{endo, akanek, nozomu.takahashi}@bs.naist.jp
研究室HP
https://bsw3.naist.jp/endo/

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ます。

主な研究テーマ

概日時計を介した花成誘導メカニズムの理解と制御

植物の概日時計(体内時計)は花芽形成を含め様々な応答を制御しています。花成ホルモンをコードするFT遺伝子の発現は夕方にピークをもつことが知られていますが、これは主に実験室条件(温度一定、長波長を含まない)で解析されてきた結果でした。ところが、野外条件(温度変化、長波長を含む)においては、夕方のFT発現ピーク以外にも朝方にも明確なFT発現ピークが見られることが明らかになりました(図1)。

私たちは、とくにこれまで着目されてこなかった朝のFT発現ピークがどのような分子メカニズムによって制御されており、どのような生物学的意義を持っているのかについて遺伝学や生化学を駆使した解析に加え、生態学的な観点から解析しています。

また、季節に応答した花成制御とは別に、季節に応答しない花成制御にも概日時計が関わっています。私たちは、花成を制御する化合物の利用や、概日時計遺伝子の発現レベルを様々に調節することで、花成時期を任意に制御する技術の開発を行います。

時間情報の長距離伝達の仕組みと意義

植物は神経や血管を持ちませんが、地上部や地下部で測った時間を他の器官・組織に伝える必要があります。しかし、植物がどのようにして時間情報を伝えているのか、伝えられた情報をどのような応答に利用しているかについては不明のままでした。

私たちは、接ぎ木やホタルの発光システムを利用した器官レベルでのレポーター解析を通じて、これらが植物の地上部と地下部の間でどのようにして時間情報をやり取りしているかについて、移動性の時計タンパク質ELF4や栄養素による時間情報伝達メカニズムを解析しています(図2)。

概日時計によって制御される新しい表現型の探索と制御メカニズム

これまで、概日時計によって制御される応答として主に花成と胚軸伸長(茎の伸長)が主に解析されてきました。しかし、私たちは、植物が時差ボケにより不調になること(図3)や、植物の側根・根毛の発生および光形態形成に概日時計が関わっていることなど、まだ記載されていない応答が数多くあることに気づきました。

それぞれの解析に合った実験をデザインし丁寧に観察することで、植物がこれらの応答をどうやって制御しているのか、どのようなメリットをもたらしているのかについて明らかにしていきます。

図1
(図1) 花成ホルモンをコードするFT遺伝子の発現は実験室条件(温度一定、長波長含まず)では夕方に一回のみである(上段)。しかし野外条件(温度変化、長波長含む)では朝・夕の二回の発現ピークが見られ、全く未知のメカニズムによって制御されていることがわかる。
図2
(図2) 根の時計遺伝子PRR7によって地上部の概日リズムの安定性が制御されており、この過程に概日時計を介した長距離時間伝達に栄養の取り込みリズムの関与が示唆されている。
図3
(図3) 植物に時差ボケ(2日に一回、6時間の位相前進)を与えると、同じ光量・ほぼ同じ明暗比、であるにも関わらず、成長阻害や花成の早期化などが引き起こされる。

主な発表論文・著作

  1. Haraguchi K, Torii T, Endo M. Discrete Appl Math., 287, 40-52, 2020
  2. Torii K, et al., Plant Cell Physiol., 61, 243-254, 2020
  3. Chen, Takahashi et al., Nat Plants., 6, 416-425, 2020
  4. Song, Kubota et al., Nat Plants. 4. 824-835, 2018
  5. Uemoto et al., Methods Mol Biol., 1830. 141-148, 2018
  6. Endo et al., Nat Protoc., 11, 1388-1395, 2016
  7. Shimizu et al., Nat Plants., 1, 15163, 2015