【流動研究部門】

星野 洋一郎 未踏系
試験管内受精による高等植物の受精・胚発生制御の
分子プログラムの解明
星野 洋一郎助教

創成科学共同研究機構・流動研究部門 未踏系

研究の概要

 高等植物の受精・胚発生は胚珠内部で進行するため、どのようにその過程が制御されているかを解析することはこれまで困難な状況にあった。近年、卵細胞を生きた状態で単離し、精細胞と融合させる技“in vitro fertilization:試験管内受精”(右図参照)が開発され、胚発生の過程を直接観察することが可能となった。高等植物の受精は、多精現象を阻害する機構を備えているなど動物との類似点もあるが、花粉管誘導や助細胞への花粉管侵入、重複受精、接合子の分裂と頂端細胞からの胚形成など高等植物に独自に見られる現象もある。これらの現象を支配する分子プログラムは、受精から胚発生を経由する植物の体制を決める重要な役割を担っていると考えられる。これらの現象の解明は、植物における雑種致死や胚の座止などの問題の解決につながると期待できる。このような背景のもとに、本研究では、試験管内受精技術を用い、上記の受精・発生に関わる諸現象を支配している遺伝子の解析からその機構を明らかにしようと試みるものである。

また、この研究はダイレクトに生殖細胞同士融合させるため、これまでも用いることができなかった多くの野生種を導入できる新しい植物育種法の開発に繋がると期待できる。

現在、私達は生殖細胞の単離と受精・胚発生の研究に加え、植物の生殖器官である「花」ができるメカニズムの解析、重複受精の産物である胚乳の機能の研究など、いくつかの側面からこの課題に取り組み、その成果の農学への貢献を念頭に研究を進めている。

 

雄性配偶子の形成:花粉発芽と花粉管からの精細胞単離

 アルストロメリアは2核性花粉を持つことから、精細胞を単離するためには花粉管を伸長させ、雄原細胞から精細胞を形成させる必要がある。そこで、アルストロメリアの精細胞単離法の確立を試みると同時に、in vitroでの花粉発芽、花粉管伸長および精細胞の挙動について解析を進めている。

 

卵細胞・接合子の単離と試験管内受精

 植物における雌性配偶子(卵細胞)の単離技術の確立は、試験管内受精研究の前提となるものであり、それにより受精機構の解明や異性配偶子間の認識、受精における助細胞・中央細胞の役割等を解き明かす研究への応用が可能となる。しかしながら、被子植物の胚のうは胚珠内部に存在するため、活性のある状態で雌性配偶子を単離・回収することはこれまで困難であった。

本研究では、アルストロメリアの胚珠内部形態の特徴を明らかにし、その形態学的情報をもとに、胚珠の酵素処理とガラス針による切開を組み合わせて卵細胞および接合子の単離を行っている。現在、得られた精細胞と卵細胞を人工的に受精させる実験系(試験管内受精)を用い、植物の受精・胚発生の分子プログラムの解析を行っている。

 

生殖器官である花を形成するメカニズムの解析

 花の相称性にはいくつかのパターンがあり、左右相称に分ける相称軸が2本以上引けるものを整正花といい、1本しか引けないものを不整正花という。双子葉植物のキンギョソウでは、不整正花であるのにもかかわらず整正花のような表現型を示す突然変異体が見つかっている。その原因遺伝子は、CYCLOIDEA(CYC)およびDICHOTOMA(DICH)であり、これらの遺伝子は花の背腹パターン決定に関与している事が示唆されている。しかしながら単子葉花き植物における花の左右相称性制御機構はほとんど解明されていない。そこで,本研究では単子葉花き植物であるアルストロメリアを用いて、花の左右相称性制御機構を明らかにする事を目的とした。

アルストロメリアは、単子葉花き植物としては珍しく花が左右相称である。さらにスポットや花被の形態に特徴があるため内花被と外花被の区別が付きやすく、花の左右相称性制御機構の解析に有用であると考えられる。現在、アルストロメリアから花の左右相称性制御遺伝子として考えられているCYCホモログの単離と発現解析を進めている。

 

胚乳の機能解析:ハスカップの胚乳由来3倍体の育成

 重複受精により、半数性の2個の極核と1個の精核が融合し、3倍性の核(第一胚乳核)を形成した後に、一般的に胚乳の発達は、受精した卵細胞を起源とする胚の形成と同調的に進む。胚乳組織は、本来、発芽の際に必要な養分を貯蔵する機能を有することから、胚が完全に完成し、種子形成されるころには、胚乳組織の機能分化が進み、そこから器官分化させることは困難になると予想される。

また、重複受精後の第一次胚乳核の挙動は、遊離核が同調的に分裂し、その後細胞壁が形成されることから、受精後の一定期間は、胚乳組織として倍数性が安定していないと考えられる。現在、胚乳の機能を解析するために、ハスカップの胚乳形成過程の組織切片を作成して解析し、発達段階にある胚乳からの植物体分化能の調査と再生した3倍体の特性について研究を行っている。