学術奨励賞受賞者論文

植物における概日時計の組織特異的な役割

遠藤

求✉

京都大学 大学院生命科学研究科 分子代謝制御学分野

はじめにらず、しょうがなく植物系の研究室をひとつずつ訪

私は光受容体の研究から研究生活をスタートし、ねて回った。その中で、私の興味と比較的近かった

そこからシグナル伝達の流れに沿って、概日時計の長谷あきら先生の研究室に行くことに決めた。長谷研究を始めました。見様見真似で研究を行ってきた

先生は植物の光受容体の研究で有名であり、研究室にも関わらず温かく日本時間生物学会に迎え入れてでは光を情報源として用いる光受容体・光応答の研いただき、また、この度は名誉ある奨励賞をいただ

究を行っており、光をエネルギー源として用いる光き大変光栄に思います。これからは襟を正して自分合成の研究は行っていなかった。の目標に向かって努力するだけでなく、時間生物学

こうして、人工光合成の野望は研究室選びの段階の研究分野の発展に貢献できるよう精進してまいりで早くもつまずいたのだが、振り返ってみればこのますので、今後ともよろしくお願い申し上げます。

時の選択があったおかげで、今も何とかやれている

また、選考にあたり多くの方々にお時間を割いていことを考えると、あながち悪くない選択であった。

ただき、大変感謝しております。ありがとうございともかくも私の研究生活はこのように予想とは異なました。

る形でスタートした。

１．植物との出会い

２．組織特異生との出会い

私はもともと研究者志望であったが、それまで「植物はどこで情報としての光を認識しているは、「せっかく研究を行うのであれば世界が抱えるか」と問われればほとんどの人は葉だと答えるだろ問題を解決したい」と漠然と考えていただけであっう。実際、葉をアルミホイルで覆ったり、光ファイた。植物を研究対象にしようと決めたのは高校生のバーを使ったりした古典的な部分照射実験から、ど頃で、ちょうどその頃に「原油はあと２０年で底をうやら植物は葉で環境情報としての光を認識してい尽く」と盛んに言われ始めたように思う。こうしたるらしいということは知られていた[1]。しかし、ことから、私は「植物の光合成の仕組みを人工的に分子生物学的な実験からは、植物の光受容体は植物再現できればエネルギー問題を解決できるに違いな個体のほぼ全ての器官・組織で発現しているというい」と考え、緑色をした自動車や人間を妄想し、将結果が得られ始めており、両者の間には矛盾がある来は植物研究をしようと決めた。その当時、植物のように思われた。そこで私たちは、赤色光受容体ゲノムはまだ解読されていなかったが、遺伝子工学

phyBが実際に植物体のどこで機能しているのかをの言葉はすでにあり、植物を使えばいかにも何でも明らかにする目的で、エンハンサートラップ法を用できそうな予感があったのを記憶している。

いてphyB 変異体背景で、特定の器官・組織でだけ無事に大学へ入学、いざ研究室を選択する段にphyB-GFPを発現させた形質転換植物を400系統以なって私は重大なミスに気づいた。入学した大学の上作出した。花芽形成（花成）の速度や胚軸（植物理学部には、光合成の研究室が存在しなかったのでの芽生えの茎の部分）の長さを測ることで、どこである。それならそうと農学部や工学部に行くなり他phyBを発現させれば表現型が相補されるかをひとの大学に行くなりして、光合成を研究しているとこつずつ調べることにした。すでに前任者からの蓄積ろを探せば良かったのだが、当時はそこまで頭が回があったとはいえ、一つずつGFPの発現パターンと✉moendo@lif.kyoto-u.ac.jp
時間生物学

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表現型を調べる作業は大変であった。当時は、研究予想通り、サンディエゴの雰囲気は明るいものでとはこんなに大変なものかという感想であったが、あった。太陽は眩しく、空と海はどこまでも青く広今から思い返しても二度とやりたくないほどであがっており、京都盆地の底で長いこと過ごしていたる。こうした努力が報われたのか、phyBは葉の中私にとっては新鮮な感覚であった。しかし、残念なでも光合成のための組織である葉肉で花成を制御しことに私は車を持たなかったので、実際には実験とていることを明らかにすることができた[2]。この寝る以外にすることがなく、ほぼ家と大学を往復す

結果は、phyBの機能が必要とされる場所は発現場るだけの生活であった。もう少し遊びに行っておい所のほんの一部でしかなく、遺伝子の発現場所の解た方が良かったと思うこともあるが、あの時ほど研析だけからは実際に機能する組織は予測できないこ究が出来た時間も無いので、トータルとしてはとてとを意味していた。

も贅沢な時間を過ごすことができたと満足してい赤色光受容体phyBは、植物が他の植物の日陰にる。

なったことを感知して緊急避難的に花を咲かせる時

研究テーマは、光受容体が組織特異的に機能するに利用される光受容体である一方で、青色光受容体理由を明らかにする目的で、概日時計機能の組織特

cry2は日長を測定することで、やがて来る適切な季異性を研究することにした。概日時計もまた、植物節を予期しそれに向けて花を咲かせる時に利用されではほぼ全ての器官/組織で発現しており、これまる光受容体である。cry2についても同様の戦略で、での研究は植物個体丸ごとを使ったものがほとんどcry2 変異体背景にcry2-GFPを組織特異的プロモーであった。私は、葉から葉肉と維管束を単離して遺ター下で発現させた系統を多数作出し、花成時期を伝子発現の時系列解析を行い、それぞれの組織間で調べた。驚くべきことに、phyBが葉肉で機能し花時計遺伝子の概日リズムがどう異なるかを解析する成を制御していた一方で、cry2は維管束でのみ機能ことにした。Kay labにあった組織単離に用いるた

し て 花 成 を 制御していることが明らかとな っ ための超音波処理装置が予想以上にボロかったこと[3]。こうした結果は、光受容体の機能には組織特や、まだ単離方法が完全には確立していなかったこ

性があるばかりでなく、植物は光受容体の種類ごととなどもあり、この時は1回の操作に１時間以上かに、さらに言うと、環境刺激の種類ごとに応答するかっていた。そのため、サンプルの損傷は激しく、組織を使い分けていることを意味するものであっいくら解析しても、おもしろい結果が出ているようた。

ないないような…という結果が安定しない苦しい時間を過ごしていた。

３．時間生物学との出会い

そんな時に、かつての共同研究者であった荒木崇

こうして光受容体に組織特異性があることを明ら先生から声を掛けて頂き、助教として京大に帰る

かにし、無事に学位を取得できたものの、植物がどチャンスが巡ってきた。アメリカでポスドクを始めのような仕組みで組織ごとの生理応答を制御していて11 ヶ 月 目 で あ っ た。 当 然、 研 究 は 中 途 半 端 でるのかについては依然はわからないままであった。

あったので、もう少しこの研究を続けていたい気持

そこで私は、光受容体からのシグナル伝達経路の下ちもあったが、ちょうどその時アメリカはリーマン流に位置する概日時計に着目し、概日時計にもまたショックの余波で揺れに揺れており、誰に相談して同様の仕組みがあるのではないかと考えた。今もそも「職が見つかったんなら早く帰った方が良い」とうだが、当時、国内で高等植物の概日時計を研究し言われ、引き止めてくれる人は誰もいなかった。形ているところは数えるほどしかなかったため、せっだけでも、もう少し引き止めてくれても良かったのかくの機会でもあることから海外でポスドクをやるになとは今でも思う。

ことにした。植物の時間生物学の研究が盛んなヨー

帰国後も自分のテーマとして概日時計の組織特異

ロッパかアメリカの二択で迷ったが、結局はアメリ性の研究はあったものの、アメリカでの経験から一カ・ カ リ フ ォ リ ニ ア 州 立 大 学 サ ン デ ィ エ ゴ 校

緒にやってくれる人がいない限り組織単離のスピー（UCSD）のSteve Kay先生のところに行くことを決

ドアップは難しそうだという感触を得ており、今はめた。Steve Kay先生も植物の光受容体を研究してその時では無いと感じていた。そこで、組織単離はいたこと、長谷あきら先生とも旧知であったこと、一旦やめ、大学院生時代の仕事の続きである光受容サンディエゴの陽気さは落ち込んだ時に助けになる体のシグナル伝達因子の研究や、荒木先生のテーマだろうという判断からであった。

である植物の花芽形成ホルモン（フロリゲン）の輸

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Vo l . 23 , No . 1（ 2 0 1 7 ）送メカニズムに関する仕事を進める傍らで、組織単はあり、このことも研究の幅を広げる意味で大き離とは別アプローチによる検証のための形質転換体かった。

（約30種類）を1人で細々と作出していた。
６．これからの出会いを求めて
４．さきがけとの出会い

これまでの研究を通じて明らかになったのは、植そんなこんなで帰国して最初の数年は、時間生物物の場合、環境刺激の種類ごとに特徴的な光受容体学とはほとんど縁の無い状態が続いた。また、概日や概日時計システムが、それぞれの組織で使い分け時計の研究を始めようとしても、「良い論文がでなられているということである。すなわち、概日時計

い」→「研究費取れない」→「やりたいことが出来の機能を明らかにするためには、解析対象の細胞・ない」の悪循環に陥っており、なかなかきっかけが組織を限定する必要があり、それらをごちゃ混ぜにつかめなかった。ちょうどその時、上田泰己先生をした解析からは結局何もわからないという単純なこ総括とするJSTさきがけ「細胞構成」の第一期生のとであった。そこで私は、より高い時空間分解能で募集を見つけ、これならばやりたいことがやれるの植物における概日時計の機能を理解・制御するためではと思い応募したのがターニングポイントであっに、解析の空間解像度を極限にまで高め、生体内のた。幸いにも採択され、他のメンバーを見てみる

１細胞を対象に時系列トランスクリプトーム解析をと、皆優秀で分野もバラバラであり何もかもが新し行っている。現在の１細胞解析の主流は培養細胞なく知らないことだらけだったので非常に刺激的でど単離した細胞を用いたものであるが、多細胞生物あった。特に、同年代の異分野研究者との交流を通は単なる細胞・組織の集合体ではなく、そこには細じて幅広い視点を身につけることができた点は私に胞間や組織間の相互作用が存在する。それらを考慮とって非常に有用であり、現在でも役立っている。

すると１細胞解析は生体内のコンテキストで行うべ

さらに、この時期に小山時隆先生に時間生物学会にきであるが、植物においては、そもそも1細胞解析誘っていただき、この頃から概日時計研究を再開すはわずか2例しか報告されておらず[6,7]、それらはる素地が整ってきた。

全て単離した細胞で行われたものである。すなわ

自由になる研究費ができたのでさっそくテクニ

ち、植物においてはまだ誰も正しい遺伝子発現プロシャンを雇用し、一緒に組織単離を行うと、１人でファイルを１細胞レベルで検出できていない可能性

やっていた時より４倍ほど早くなった上に、収量・が高い。私たちは、植物細胞が大きいことや植物の品質ともに向上し、結果が安定するようになった。

体制が比較的単純であることを利用して生体内の1それからは早かった。組織別の時系列マイクロアレ細胞の内容物を直接回収することで時系列解析を可イの解析から、植物の概日時計にも組織特異的な機能にし、現在、植物の分化・脱分化過程に着目して能分担が存在すること、維管束の概日時計が葉肉の概日リズムの解析を行っている。動物では八木田先概日リズムを制御しうること、維管束の概日時計が生を始めとして概日時計と細胞運命決定の間の深い光周性花成の制御に重要であり他の組織の概日時計関係が明らかにされつつあるが[8,9]、植物にも同様は花成制御にはほとんど関与していないことなどをの仕組みが存在しそうであることが見え始めてい明らかにすることができた[4]。さらに、この考える。分化全能性を普通に発揮できる植物とそうでは方を細胞伸長制御にも適用したところ、今度は維管ない動物の比較を概日時計という共通の切り口から束の概日時計ではなく、表皮の概日時計が重要であ行うことで、生物種を超えた分化全能性の基盤原理るという結果を得ることができ、さらに、表皮の概を理解したいと考えている。そして、こうした展開日時計は常温シグナルを入力としていることを示す

は再分化された学問分野を再び統合し、幅広い分野ことができた[5]。こうした一連の結果はもちろんの研究者との出会い・議論を活性化させることにつ幸運であったことも大きいのだが、人・研究費・環ながると期待している。

境がうまく噛み合うとすごい爆発力になるのだとい

また、組織特異的な概日時計の機能を利用して、うことを思い知らされた。そして、さきがけは、研特定の組織の概日時計機能を標的とした形質制御の究費と環境を提供するという意味では若手にとって研究も始めている。植物の概日時計は光周性花成やかなり良いグラントであり、これに採択されたこと成長など農業上有用な形質制御に関わっているが、はとても幸運であった。また生物種や解析手法で括あまりに多くの生理応答に関わることから、これまられた学会では見られない多様性が時間生物学会にで概日時計は制御標的として有望だとは考えられて

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こなかった。しかし、私たちの研究は、これらの生神で臨む」ということを、ここに表明し、これから理応答が組織ごとに切り分けられることを示しておの自分の研究の道標としたい。

り、特定の組織の概日時計を標的とすることで効率的な生長制御の達成を目指している。こちらについこれまで一緒に仕事をしてくれた学生や共同研究ても、化学や農学系といったこれまでにつながりの者を含め多くの方々にご支援でここまでやってこれ無かった研究者たちと進めており、新たな出会いがました。これからもお世話になるかと思いますが、生まれている。

今後ともよろしくお願い致します。この度はありがとうございました。

おわりに
概日時計は多様な生命現象に関わっており、ここに軸足を置くことで多くの新しい出会いが生まれ、

参考文献
1)

A: Plant Cell Physiol 43:1171-1181 (2002)

新しい研究へとつながった。今後もこうした方向性の研究を極めることで植物科学そして時間生物学の

2)
3)
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5)
6)
7)
8)

は世界が自分の力で少しでも世界が良くなった（ている）という実感が欲しい。概日時計は花成や温度応答など農業上重要な生理応答を包括的かつワンストップで制御するための良い仕組みであり、これを標的とすることは、高校生の頃の私が解決を目指したエネルギー問題だけでなく、食糧問題や温暖化問題など地球規模の諸問題に取り組むための力となり得ると考えている。また、細胞運命決定と概日時計の研究についても、動植物を超えた普遍的な原理の発見からもしかしたら再生医療への展開が見つかるかもしれないと夢想している。
こうしたアプローチが本当に世界を変える力になり得るのかは正直わからないが、狙わなければ絶対に到達できない高みが存在することも事実である。
今回の受賞論文を書くにあたり、私は世界を植物で変えたいと願って研究を始めたことを改めて認識した。欲張りと言われようが何と言われようが「基礎も応用も全部やる、そして植物で世界を変えるの精
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Vo l . 23 , No . 1（ 2 0 1 7 ）Yagita K et al.: Proc Natl Acad Sci USA
107:3846-3851 (2010)はかわらない」、「１人では世界を変えられない」等の指摘はそのとおりだと思う。しかし、それでも私

Efroni I, Birnbaum KD: Genome Biol 17:65(2016)

能で計測・制御する」という研究スタンスは変わっていないと自分では思っている。
「一朝一夕で世界

Efroni I, Ip PL, Nawy T, Mello A, Birnbaum
KD: Genome Biol 16:9 (2015)

研究の目的は「植物で世界を救う」ことであり、それを達成するために「植物の応答を高い時空間分解

Shimizu H, Katayama K, Koto T, Torii K,
Araki T, Endo M: Nature Plants 1:15163 (2015)とがあり、「結局何がしたいのか」という御指摘をいただくことも多いが、冒頭に述べたように、私のEndo M, Shimizu H, Nohales MA, Araki T,Kay SA: Nature 515:419-422 (2014)

1細胞解析など様々な研究へと発展した。その時々でやっていることが変わっているように見られるこ

Endo M, Mochizuki N, Suzuki T, Nagatani A:Plant Cell 19:84-93 (2007)とが私のもう一つの目標である。光合成研究をやりたいという思いは形を変え、光受容体、概日時計、

Endo M, Nakamura S, Araki T, Mochizuki N,Nagatani A: Plant Cell 17:1941-1952 (2005)

広がりをもたらすことは、私のこれからの目標の一つである。それに加えて、応用志向の研究を行うこ

Tanaka S, Nakamura S, Mochizuki N, Nagatani

9)

Umemura Y et al.: Proc Natl Acad Sci USA
111:E5039-5048 (2014)