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成長する場所を自ら変えることができない植物は、器官の形や成長を柔軟に変化させることで変動する環境に適応しています。植物は動物と異なり知覚や運動に特化した器官や中枢神経を持たないため、環境に応じた成長調節を実現するためには、個々の細胞が環境シグナルを知覚し、個々の細胞が分裂や伸長を変化させながら、全体として統制の取れた変化を動きをする必要があります。このような高度な仕組みがどのように成り立っているのかは、未だ多くの謎に包まれています。

 

私たちはシロイヌナズナの根端をモデルに用いることで、環境に応じた器官成長のダイナミクスを遺伝子や細胞のレベルで明らかにしようとしています。シロイヌナズナの根は細く透明で顕微鏡観察に適しているため、遺伝子から分子、そして細胞から器官に至る多様なスケールを横断した緻密な解析を行うことが出来ます。一方で、環境知覚や成長制御の中枢である根端部が根の伸長によって速やかに移動してしまうため、高倍率での長時間観察ができないという問題がありました。

 

私たちの研究室では、移動する根端を自動的に追尾する「動体トラッキング共焦点顕微鏡システム」を開発しました。これにより伸長する根の先端で刻々と変化する遺伝子発現や細胞あるいはオルガネラ動態を精密に捉えることが可能になりました。さらに環境刺激を精密に制御するマイクロデバイスや、AIを用いた画像定量技術を融合することで、根の成長動態を制御する分子や細胞レベルの振る舞いを定量的に解析する技術を開発しています。これらの技術を用いることで、栄養や接触などの化学的・物理的環境因子がどのように知覚され、それが細胞の分裂や伸長をどのように変化させることで根の成長を最適化しているのかを明らかにします。

 

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根と土壌環の相互作用には、根冠（Root cap）組織が重要な機能を果たしています。根冠は根端を覆うキャップ状の組織で、重力方向の感受や摩擦の低減、栄養や水分を始めとした土壌環境の受容など、植物の成長に必須の重要な役割を担っています。根冠は伸長する根の先端で様々なストレスに曝されるため、その機能を保持するために構成する細胞を絶えず入れ替える仕組みを備えています。根冠の最内層には一層の幹細胞があり、これが一定の周期で分裂して新しい細胞層を生み出します。これと同じ周期で最も外層の細胞が自律に脱落してゆくことで、組織の大きさと機能を維持しています。

 

このような細胞の入れ替わりの過程で、個々の細胞の機能が組織内の位置に応じて変化します。内側の細胞は重力感受細胞に分化し、外側に達した細胞は分泌細胞へと変化します。最外層から剥離する細胞は内部に貯まった代謝産物と共に土壌中に分散することで土壌環境を整える働きを担っています。私たちはこの巧妙な分化転換において、真核生物に保存された細胞内消化機構であるオートファジーが重要な役割を果たすことを明らかにしました。この発見は、これまでの謎の多かった植物のオートファジーが通常の発生過程で担う役割を明瞭に示したものです。

 

さらに私たちは、根冠細胞分化のマスター制御因子であるSMB/BRN転写因子を手掛かりとして、根冠の分化や機能を担う遺伝子群を同定しています。私たちのライブイメージング技術と分子遺伝学を融合することで、同定した遺伝子群の役割を明らかにしようとしています。例えば細胞壁の分解酵素をコードする RCPG遺伝子は、根冠の最外層で周期的に活性化され、 RCPG遺伝子を破壊した変異体では、根冠細胞の脱離が阻害されることを明らにしました。これらの発見は、成長する根の先端で繰り広げられるミクロな細胞動態を明瞭に可視化し、その分子機構を明らかにしたユニークな成果です。

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