第50回内藤記念科学振興賞受賞研究

第50回内藤記念科学振興賞受賞研究テーマ「シロイヌナズナを用いた植物分子生物学の確立」
Establishment of Plant Molecular Biology
using Arabidopsis as a Model

研究者

おか

はじめに

だ

きよ

たか

岡田 清孝

龍谷大学農学部 特任教授

究はごく少数で、植物を対象とした研究発表は第50回記念の年に科学振興賞をいただき、誠ほとんど見当たりません。
植物の多様な形質を支配する遺伝子の構造やに嬉しく思っています。受賞題目は「シロイヌナ
ズナを用いた植物分子生物学の確立」ですが、発現機構の解明を目指した研究は、一つのモデ

個人の力で 1 つの研究分野を確立することは到

ル植物を選択したことによって国際的に一気に底不可能であり、これまでに共に研究を進めて拡大しました。分子生物学解析に適合した種子

きた多くの関係者との協力の結果です。種子植

植物のモデルを選択するに当たっては、（1）
植物物（花をつける植物）における遺伝子制御機構のサイズが小さく、多数の植物体を扱うためにの理解を目的とした研究は、1980年代半ばから大きな設備を必要としない、（2）
栽培が容易で人「シロイヌナズナ」をモデル植物として集中的・工的な交配が可能、（3）世代時間が短い、（4）
ゲ

網羅的に解析を進める手法が始まり、飛躍的なノムサイズが小さい、（5）
自家受精の能力を持つ発展を遂げました。本稿では、植物分子生物学

こと、などの条件に適合することが重要です。

の発展の経緯とその中で私が関与した内容をま1980年代当時は遺伝子単離のために、先ずそのとめて紹介します。

遺伝子の染色体上の位置を決めることが必要とシロイヌナズナの選択と研究インフラの構築されたことから、（6）
染色体数が少ないこと、（7）二倍体であること（植物の中には倍数体も多い）、

1940年代後半からアメリカで始まった分子生も重要な条件です。1980年の半ばになると、ア

物学は、大腸菌とこの菌に感染するバクテリオ

ブラナ科の野草であるシロイヌナズナがこれらのファージを共通の研究対象とした少数の研究者

条件を満足することが認識され、この植物を対グループによって研究が進展しました。研究対象とする分子生物学の新たな潮流が始まりま象生物を絞って研究を集中することによって研した。図 1 にシロイヌナズナの特徴をまとめます。

究材料の交換や共同研究が容易になるだけでな
く、研究結果の相互検証が可能になるので、研究が確実・迅速に進展することになります。真核生物を対象とした分子生物学研究においてもこの研究手法の重要性は十分に認識されていたのですが、実際に研究が始まるのはかなり遅れました。日本の分子生物学の発展経緯を振り返ると、1972年から 6 年間続いた分子生物学シンポジウムや1978年に発足した日本分子生物学会の初期の年会の要旨集を見ても、真核生物の研─ 15 ─

図1

第50回内藤記念科学振興賞受賞研究

好都合なことに、シロイヌナズナは、1950年代か

究が植物科学全体の発展を牽引するだろうとのらドイツで遺伝学の教材として用いられており、期待が、研究開始当初から関係者の間で共有さ化学薬剤や放射線による突然変異誘発の手法がれていました。そのためには、シロイヌナズナ研

確立していました。さらに、1990年代には植物究に関わる研究インフラを充実させることが重要

細胞に遺伝子を導入する技術と組み換え植物体です（ 図 3 ）。1990年に日本を含む 7 カ国のシを再生する簡便な技術が開発されたことによっロイヌナズナ研究者が研究推進委員会（Multi-て、遺伝子解析研究はますます加速しました

national Coordinated Arabidopsis Genome（図 2 ）。

Research Steering Committee）を設置し、国際植物を対象とする分子生物学は、基礎生命科

研究集会の開催、ゲノム配列決定プロジェクト

学の新たな学問分野というだけでなく、農学やなど大型国際共同研究の提案と計画推進、突然

薬学、環境科学などへの幅広い展開が期待され変異体や遺伝子クローンの収集・保存・分与をる重要な分野です。シロイヌナズナを用いた研行うリソースセンターの設立、データベースを集

図2

図3

─ 16 ─

第50回内藤記念科学振興賞受賞研究

めたホームページの設置など、シロイヌナズナ研の学術雑誌や総説誌が国内外で相次いで創刊さ究を支えるインフラ構築と維持のための努力をれました。
植物分子生物学の急速な発展は、これらの様々続けています。私は1996年から2000年までこのな研究インフラやリソースの構築と維持があった

委員会の委員を務めました。
1986年から私は、愛知県岡崎市にある岡崎国ためと考えられます。私はこれらの主要なプロ

立共同利用機関（当時）・基礎生物学研究所のジェクトの運営に関わる委員や、雑誌のエディ

志村令郎先生の研究室で、シロイヌナズナを用ターなどとして、植物分子生物学勃興期にそのいて植物の様々な能力や機能に関わる遺伝子を一端に関わることができたことを幸運なことと感調べる研究を始めました。それと並行して、シ謝しています（文献 1 ）。

ロイヌナズナを共通基盤とした国内外の研究コ
ミュニティを大きく育て、我が国の植物科学分野

シロイヌナズナの研究成果に分子生物学および分子遺伝学の研究手法を根

私がシロイヌナズナを用いた植物分子生物学

付かせることにも努力してきました。基礎生物学研究を開始した1986年当時を振り返ってみると、研究所では、当時の岡田節人所長の支援を得て、植物細胞の増殖や光合成に関わる遺伝子についシロイヌナズナを用いた研究の進展状況を話すての解析は進んでいたものの、胚形成や器官形

ワークショップや新たな実験解析技術を共有す

成などの植物発生、代謝や物質輸送などの植物るためのトレーニングコースを開催しました。

生理、環境応答、病虫害防御など今日の植物分

1990年から毎年開いたワークショップには、その子生物学の主要な対象となるほとんどの分野に後の日本の植物科学研究を支えた大学院生や若ついて、その過程に働く遺伝子は未同定の状態

手研究者が多数参加して活発な情報交換が行わでした。取り組むべき作業は、（1）
これらの過程れました。

に関わる突然変異体を単離して、変異遺伝子のシロイヌナズナの研究リソースに特化したリ

染色体上の位置を決定し、（2）
クロモソームウォー

ソースセンターは、1992年にアメリカ・オハイオキング法を用いて遺伝子のクローニングを試み

大学とイギリス・ノッチンガムに、1993年から宮るという流れでした。2000にシロイヌナズナの全

城教育大（2003年に理化学研究所バイオリソー

ゲノム塩基配列が決定された後は、簡便な遺伝スセンターに移管）に設置されました。シロイヌ

子導入植物の作成技術が考案され、イメージン

ナズナの全ゲノム配列を決定するプロジェクト

グ解析技術が発展したために、研究が飛躍的には、
1995年に日本（かずさDNA研究所）のグルー

加速しました。

プ・アメリカ 3 グループ・ヨーロッパ 2 グループ

私は、
（1）
花・葉・根などの器官の形態形成とによる国際的な共同研究として始まりました。当

成長パターン、（2）
植物の成長を制御する分裂組

初は10年間の計画でしたが 5 年に前倒しして終織の形成と維持、（3）
表皮細胞の分化における側了し、植物ゲノム配列決定の最初の例として方抑制機構、（4）
重力や光などの物理的環境に対

2000年に発表公開され、その後の網羅的なオーする応答機構、の 4 つの領域を対象と定め、そム解析の発展の契機となりました。また、2000

れらの形質が異常になった突然変異体を作成・

年 1 月には各国の研究者が今後10年間に行うべ

単離し、変異遺伝子をクローニングして解析すき課題を選定・提案する委員会が開かれ、「Theる作業を開始しました。私のグループが分離解

2010 Project」として発表されました。さらに析した突然変異体は、1988年の最初の論文で報2010年には後継プロジェクトとして「From Ben-

告した 5 種の花の形態異常突然変異体を始めとch to bountiful Field Project」が発表され、実して、40種を越えます。以下に代表的な変異体

験室内での基礎研究から圃場や野外における農の解析から得られた知見を紹介します。

学や環境科学・生態学研究への展開を強力に促しています。また、植物分子生物学の論文増加（1）器官の形態形成と成長パターンに伴って、それを掲載する植物分子生物学専門

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花は植物体の中で最も華やかで複雑な構造を第50回内藤記念科学振興賞受賞研究持つ複合器官であり、その形態を規定する遺伝

突然変異体は、がく片を心皮に転換すホメオ機構の解明は心惹かれる対象です。シロイヌナ

ティック突然変異体Fl -40とFl -48（いずれもap2

ズナの花は構成が単純で規則性が明確であるこのアリル）、花器官の成長が不十分で、一部の花とから花形成過程の制御機構の解析に適しておが針状のフィラメントに退化するFl -54（後にり、多くの研究グループから様々な種類の興味

ﬁlamentous ﬂower（ﬁl）と命名）、雌しべが肥大

深い突然変異体が報告されました。シロイヌナ

化するFl -82（clv1とfasの二重突然変異体）、心

ズナの花は外側から順に 4 枚のがく片、 4 枚の皮の融合が不完全なFl -89（leunigのアリル）な花弁、 6 本の雄しべ、 2 枚の心皮が融合した一どで（図 4 - 2 ）、その後引き続いて様々な花形

本の雌しべが対称性を持って配置されており、態と機能異常を示す突然変異体を分離して解析

花茎と花の中心を通る対称軸とそれに直交するしました（文献 2 ）。FIL遺伝子はzinc-ﬁngerと対称軸が想定されます（図 4 - 1 ）。花器官の位

HMGドメインを持つ核局在タンパク質をコード

置決定においては、花茎に近い向軸側（adaxial

しており、 4 種類の花器官だけでなく葉においside）と遠い背軸側（abaxial side）、左右の横側ても、背軸側領域で発現し、背軸側領域の形成（lateral side）を区別する分子機構が働きます。

と分化に必要なマスター遺伝子であることが明

花器官はそれぞれ特徴的な形態と機能を持つよ

確になりました（後述）（文献 3 、 4 、5 ）。PRSうに成長します。

（PRESSED FLOWER）遺伝子の突然変異体は、

私のグループから最初に報告した花形態異常

図4

横側の 2 枚のがく片が欠失し、残った向軸側と花の構造と突然変異体 1（1）ナズナ科の花の構造模式図。
（2）A：野生型のシロイヌナズナの花、B、C：Fl-40変異体の花、D：Fl-48変異体の花、E：apetala-2 変異体の花、F：（1）
野生型の花弁、（2、3）花粉嚢を持つap2変異体の花弁、（4）野生型の雄しべ、L：Fl-54変異体の花、M：Fl-54変異
体の花茎、N：Fl-82変異体の花、O：Fl-89変異体の花、P：Fl-89変異体の雌しべの断面。文献 2 より転載。
（3）prs変異体の花 A：構造の模式図、赤色部分が欠失する。B：つぼみのSEM像、矢印は欠失したがく片の位置。C、D：
上から見た花の姿。文献 5 を改変。
（4）A：pRPS::GFP、PRS遺伝子ががく片の周縁部で発現することを示す。B：pRBE::GFP、RBE遺伝子が花弁の原基で発現することを示す。C：rbe変異体の花の構造、赤色の花弁を欠失する。D：rbe変異体の花。文献 6 を改変。

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第50回内藤記念科学振興賞受賞研究

背軸側のがく片は幅が狭く、周縁部の組織が作でいます。

られません。一部のがく片が欠損しているため

その他にも、興味深い花形態変異体が得られに、prs変異体の花は横から軽く押し潰したかのました。vaj（vajra）変異体の花は、すべてのように広がっています（図 4 - 3 ）。PRS遺伝子

がく片と花弁の幅は狭くなり、つぼみの内部がはWUSCHEL-type homeoboxモティーフを持つのぞけます（図 5 - 1 ）。VAJ遺伝子は翻訳に関

転写因子で、花器官と葉の周縁部で発現します

わ るelongation factor2 familyの メン バ ー で す（文献 5 ）
。また、RBE（RABBIT EAR）遺伝子（文献 7 ）
。stv（short valve）変異体の花は雌は花弁の原基細胞で発現しますが、この遺伝子

し べ の 形 態 異 常を 示します（ 図 5 - 2 B）が、の欠損変異体rbeの花は 4 枚の花弁のうち向軸側STV遺伝子は複数の翻訳領域を持つmRNAの翻の 2 枚の花弁が欠失または退化するために、残っ

訳 再 開 始 の 鍵 と な るリボ ソ ー ム タン パ ク 質

た 2 枚の花弁がミッキーマウスの耳のように見え

RPL24をコードしています。雌しべの形成に関

ま す（ 図 4 - 4 D）
。RBE遺 伝 子 はzinc ﬁngerモ

わるETT遺伝子のmRNAはETTタンパク質のティーフを持ち、転写因子として働くものと考え

翻訳領域の上流にuORFを持つことがわかって

ら れ ま す（ 文 献 6 ）。FIL、PRS、RBEなど は、

おり、stv変異体ではETTタンパク質の合成量

花の中に見いだされる軸に沿った器官形成に関が減少するために雌しべの構造が異常になるとわる遺伝子として注目されました。軸依存的な考えられています（図 5 - 2 C）
（文献 8 、9 ）。

発現を規定するプロモーター領域の解析も進ん

他方、SHD（SHEPHERD）遺伝子が活性を失っ

図5

花の構造と突然変異体 2（1）vaj変異体の花。文献 7 を改変。
（2）stv変異体の花。A：野生型の雌しべ、B：stv変異体の雌しべ。雌しべの子房の領域が短い（矢印）。A、Bいずれも手前のがく片と花弁を除去してある。C：STV遺伝子（RPL24）のETT遺伝子mRNAの翻訳過程における役割。文献 8 を改変。
（3）shd変異体の花。文献10を改変。
（4）A：dad変異体の開花時の反応。組織の急激な伸長を赤色矢印、水の移動を青色矢印で示す。B：dad変異体の花。雄しべ先端の葯は膨らんでいるが開裂せず、内部の花粉を放出しない。C：野生型の花。雄しべ先端に花粉が見える。文献
13を改変。
（5）A：野生型の花。花弁はまっすぐに伸びる。B：fop1変異体の花。花弁は折れ曲がっている。C：図の右半はfop変異体の花弁が雄しべとがく片の間で引っかかるために折れ曲がる様子を示す。図の左半は野生型の花。花弁表面に分泌されたワックスが潤滑剤として働く。文献11を改変。

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第50回内藤記念科学振興賞受賞研究た変異体は、葉や根にも形態異常を示しますが、と が で き な い た め に 折 れ 曲 が り ま す（ 図花では雌しべが太くなります（図 5 - 3 ）。SHD

5 - 5 B）
。変異形質がよく似た二つの変異体の

遺 伝子は熱ショックタンパク質の 1 つである

遺 伝 子 のうち、FOP1遺 伝 子 はwax ester syn-

GRP94をコードしており、雌しべ形成の鍵タンパ

thaseを、FOP2遺 伝 子 はhalf size ABC trans-

ク質の一つであるCLVタンパク質の三次構造構

porterをコードしており、いずれも花弁表皮細胞築に関わっていると思われます（文献10）。VAJ、

から外部にクチンやワックスを合成し分泌する

STV、SHDなどのhousekeeping genesの変異が過程に欠損を持つと考えられます（図 5 - 5 C）

特定の植物器官の形成異常として現れるのは、（文献11、12）。植物器官の表面の脂質が、狭い

遺伝子ファミリーの役割分担を反映しているの間隙をすり抜けて成長する際の潤滑剤として役でしょう。fop（folded petals）変異体は、花器立っていることを示しているのでしょう。dad1

官の形やサイズは正常であるにも関わらず、開（defective in anther dehiscence1）変異体は、雄花時に花弁がうまく開かず、折れ曲がって引っしべ先端の葯が開かないために内部の花粉が解かかる変異体として分離されました。シロイヌナ

放されません（図 5 - 4 B）
。開花に際して花弁とズナなどナズナ科の花では、花弁は遅れて成長

雄しべの花糸領域に水が移動して急速に伸長し、し、がく片と雄しべの間隙をすり抜けるように伸葯のstomium細胞が細胞死を起こして花粉が解長しますが、この変異体ではうまくすり抜けるこ

放されますが、これらの反応には植物ホルモン

図 6 （1）A：柱頭毛に付着させて 3 分後の野生型花粉。花粉はラグビーボール型のままで吸水は不十分。D：2 時間後の野生型花粉。
花粉は吸水して丸くなり、花粉管（矢印）を伸ばしている。E：柱頭毛に付着させて 4 時間後のflk変異体の花粉。花粉はラグビーボール型のままで吸水していない。F：24時間後のflk変異体の花粉。吸水していない。G：野生型花粉の外層構造。H：flk変異体の花粉の外層構造。脂質が欠損している。文献14を改変。
（2）C、E：カロース合成酵素のGSLの欠損変異体の花粉。変異体花粉の表層の網目模様は野生型と変わらない。C図の右側の大きな花粉は野生型、左側の 2 個の小さな花粉が変異体の花粉。論文15を改変。
（3）A：野生型の花粉。B：kom変異体の花粉。
（4）A︲D：maa変異体の雌しべに野生型の花粉をつけた。花粉管（赤または緑）は珠柄（f）に沿って伸長するものの、珠孔（mp）に向かうことができず、迷走する。論文16より転載。

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第50回内藤記念科学振興賞受賞研究のジャスモン酸の一過的な合成が関わっている

第一段階の認識シグナルとなっていることを示ことが知られています（図 5 - 4 A）
。予想通り、

す結果です。雄しべ先端の葯の内部で花粉が形DAD1遺伝子はジャスモン酸合成に関わるphos-

成される過程では、多糖類のカロースが未熟な

pholipase Aをコードしていることがわかりま

花粉の周りを充填しています。カロース合成酵
素のGSL1と 5 の二重突然変異体では、花粉外層した（文献13）。
受精過程においては雌雄配偶体の間で何段階の構造は正常ですが小型で発芽しない未熟な花

ものシグナルの受容が必要です。花粉が雌しべ粉が形成されることから、カロースは外層構造

先端の細長く伸びた細胞（柱頭毛）に付着するの形成には関与しないことが明らかになりましたと、花粉は柱頭毛細胞から水分を供給されて丸（図 6 - 2 ）（文献15）。雌しべの子房内に侵入しく膨れ、雌しべの奥深くにある雌性配偶体に向た花粉管は、胚珠の開口部（珠孔）から内部に入っけて花粉管を伸ばします。ﬂk（ﬂaky pollen）変て受精しますが、maa（magatama）変異体の雌

異体花粉の形態は正常に見えますが、花粉外層

しべ内部では、花粉管が胚珠に向かうことがでの脂質が欠損しているために柱頭毛に付着してきず、迷走します（図 6 - 4 ）。胚珠から花粉管も吸水せず、花粉管を伸ばすこともありません

を誘導するシグナルが出されることの間接的な（図 6 - 1 E、F）
（文献14）。kom（kompeito）変

証拠となりました（文献16）。

異体の花粉は名前通りの形で、花粉外層の構造

葉は、茎の先端に維持される茎頂分裂組織が異常になっているために、雌しべ先端に付着（SAM, shoot apical meristem）から継続して作らできません（図 6 - 3 ）。花粉外層の構造が受精れる葉原基が成長して形づくられます（図 7 - 1 ）。

図 7 （1）茎頂分裂組織から葉が形成される様子。
（2）A：35Spro::miR-YFPとFILpro::GFPの両者を導入した転換体の葉の横断面。表側（向軸側）領域を黄色（YFP）、裏側（背軸側）領域を青色（GFP）で示す。 B︲D：表側領域と裏側領域の境界が決まる機構の模式図。文献19を改変。
（3）A︲E：茎頂分裂組織から作られた葉原基が成長する過程。
（4）葉が横方向に成長して平らな形を作る仕組み。A：P3ステージの葉原基の断面。赤色の中間領域ができる。B：P5ステー
ジの若い葉の断面。中間領域（赤色）の細胞が活発に分裂して葉が広がる。*印の部分が葉縁部になる。C-D：横方向への成長の模式図。文献21を改変。

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第50回内藤記念科学振興賞受賞研究

若い葉原基は成長の初期段階で表（向軸側）とを提唱しています（文献17、18）。葉原基がこ裏（背軸側）の領域が規定され、ついで葉縁部のシグナルを受容すると茎頂分裂組織に近い側で特異的な遺伝子群が発現し、横に成長するこで向軸側組織形成のマスター遺伝子、homeoboxとによって平らな構造体を作ります。その機構

ドメインを持つHD-ZIPⅢ、が発現します。HD-はかなり複雑です（図 7 - 3 ）。私達が見いだし

ZIPⅢ遺伝子の発現はmicroRNA165/166によるたFIL遺伝子は葉原基の背軸側領域の形成と分

翻 訳 抑 制 を 受 け て お り、FIL、miR165/166、化に必要なマスター遺伝子ですが、形成直後の

HD-ZIPⅢの三者が互いに発現を制御し合うこ

葉原基では背軸側の細胞だけでなく向軸側の細とによって、葉原基内に明確な向軸側と背軸側胞でも発現しており、そのままでは葉は裏側組の境界が形成されると考えています（図 7 - 2 ）織のみを持つ針状の組織となります。茎頂分裂（文献19）。私達はシミュレーションに基づいた組織から葉原基に向かって流れるシグナルが向境界決定機構の相互抑制モデルを提唱しました

軸側組織の形成に必要であることは、1950年代（文献20）。向軸側と背軸側の領域が決まると、の 古 典 的 な 微 小 手 術 実 験 によって 示 され ま境界面の端にある細胞群（中間領域の細胞）がした。このシグナルの分子実体は未だ明確では

活発に分裂して葉は平らに広がるように成長しないのですが、私達は突然変異体の解析からます（図 7 - 4 ）。この中間領域の細胞が働くに

succinic semialdehydeが機能しているとの仮説

は、FIL遺伝子とPRS遺伝子（前述）など数種

図 8 （1）A：野生型シロイヌナズナの姿。B：pin1変異体の姿。花茎につぼみができず、葉序も異常になる。C、E：pin1変異体の花茎の先端。D：野生型の花茎の先端。F：pin1変異体で稀に作られる花。がく片と花弁の形や数が異常になり、雄
しべは欠失し、雌しべの内部構造も異常になる。G：pin1変異体の形態が異常になった葉。文献22を改変。
（2）根と茎の細胞間をオーキシンが輸送される仕組み。赤色は細胞内からオーキシンを排出するPINタンパク質の局在位置を示す。オーキシンは矢印の向きに植物体内を移動する。
（3）A、D：野生型の葉の維管束パターン。B、C：cuv変異体の葉の維管束パターン。E：nov変異体の葉。維管束はほとんど形成されていない。F：野生型の心臓型胚。G：cuv変異体の心臓型胚。細胞分裂のパターンが大きく乱れている。
H：野生型の心臓型胚の内部に見られるPINタンパク質の位置を緑（GFP）で示した。赤矢印は隣接する細胞間のオーキシン輸送の方向を示す。文献24、25を改変。

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第50回内藤記念科学振興賞受賞研究

類の遺伝子が必要です。PRS遺伝子が欠損する

異常が見られます。続いてドイツのグループがと葉は幅が狭くなり、背軸側（裏側）の細胞がPIN遺伝子をクローニングし、PINタンパク質が向軸側（表側）に侵入して、表と裏の境が不明

細胞内のオーキシンの細胞外排出に関わってい瞭になります（文献 21）。

ることを確認しました（文献23）。PINタンパク（2）分裂組織の形成と維持の特定の方向の細胞膜にのみ局在します。茎内質は膜タンパク質ですが、直方体状の植物細胞
1990年代には、代表的な植物ホルモンである部の細胞では下方向に、根の表皮細胞では上方

オーキシンが細胞を介して植物体内を定まった向に局在するので、茎では細胞内に取り込まれ方向に輸送されることが知られていましたが、たオーキシンは下方に、根の表皮組織では上方

極性輸送の役割や輸送システムの仕組みについに輸送されることになります（図 8 - 2 ）。オーキては不明でした。私達の研究グループは1991のシンの役割は広範囲に渡りますが、ほぼすべて論文で茎の先端に花を作ることができないpin1の現象においてPINタンパク質を介した極性輸送（pin-formed1）変異体ではオーキシンの極性輸が関与していることがわかりました。葉の維管束送能が極端に低下することを見いだしましたパターンがうまく形成されないnov（no vein）変（図 8 - 1 ）（文献22）。この突然変異体は花以外

異体やcuv（clumsy vein）変異体は、PINタンの器官の形態や、重力屈性などの環境応答にもパク質の局在が異常になっていることがわかりま

図 9 （1）シロイヌナズナの根の構造。A：シロイヌナズナの根の先端部。B：根端内部の細胞配列。黄色矢印は 4 個の静止中心細胞のうちの 2 個を示す。C：根端部の縦断面の細胞配列。D、E：横断面の細胞配列。C、E図の緑色は表皮、黄色は内皮、白色は静止中心の細胞を示す。根毛はE図に矢頭で示す 8 個の表皮細胞から生じる。
（2）A：右はhlr変異体、左は野生型の発芽後10日目の芽生え。hlr変異体は根の伸長が遅れる。B：野生型の根端。C：hlr
変異体の根端。緑色の細胞は内皮組織の細胞と静止中心細胞（白矢頭）を示す。変異体では根端分裂組織の構造が乱れて、壊死した細胞（中心部の赤色）がある。D：野生型の茎頂分裂組織。E：hlr変異体の茎頂分裂組織。変異体では茎頂の分裂組織の細胞配列も乱れている。文献26を改変。

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第50回内藤記念科学振興賞受賞研究した（図 8 - 3 A-E）
（文献24、25）。成長途中の解析され、それらの知見から、homeoboxドメイ

心臓型胚では、オーキシンがY字状に輸送されるンを持つGL2 タンパク質が存在すると根の表皮ことが必要ですが（図 8 - 3 H）
、nov変異体や細胞の根毛形成を抑制すること、非根毛細胞のcuv変異体では胚の発生過程も異常になります

核内ではWER（WEREWOLF）
・TTG（TRAN-（図 8 - 3 G）。

SPARENT TESTA GLABRA）
・GL3（GLA-

植物体の根端にも分裂組織があり、植物は生

BRA3）の三つのタンパク質が転写調節複合体を

涯を通して分裂組織の活性を維持します。シロ形成してGL2（GLABRA2）、CPC、TRY（TRY-

イヌナズナの根は細く細胞数も少ないのです

PTICON, CPCのホモログ）遺伝子などの転写がが、植物の根に共通した構造を持っています

誘導されること、CPCとTRYタンパク質は原形（図 9 - 1 ）。根は 5 層の同心円状の組織を持ち、質連絡（plasmodesmata）を通って隣接する根先端の根端分裂組織が細胞分裂を継続し根が伸毛細胞に移動し、上記の転写複合体の形成を妨

びていきます。根端分裂組織の構造を維持し、害してGL2 遺伝子などの転写を抑制すること、統制された細胞分裂活性を制御するのは、中心が 示 さ れ ま し た（ 図10 - 4 A）
（ 文 献31- 33）。

に位置する 4 個の静止中心細胞です。根が短く

CPC遺伝子を根の全細胞で強制的に発現させる

成長が悪いhlr（halted root）変異体は、静止中とすべての表皮細胞から根毛が形成されます（図心細胞が保持できず、根端分裂組織が崩壊しま

10 - 3 E）。CPCとTRYタンパク質は隣接する表

すが、同時に茎頂分裂組織も変形して機能が低皮細胞に移動して分化方向を変える側方抑制機下します（図 9 - 2 ）。HLR遺伝子はタンパク質

構のシグナル分子として働いていることが明確

分 解 に関わる26S proteasomeの サブ ユ ニットになりました。

RPT2をコードしています（文献26、27）。変異

一 方、 葉 の 表 皮 細 胞 の 一 部 はendo-redup-

形質との関連は明確にはならなかったのですが、

licationを繰り返して巨大化し、トライコーム（星茎頂と根端の両方の分裂組織に共通した維持機状毛）を形成します。トライコームの形成過程に構の存在を示しています。

おいては、根毛形成と類似した遺伝子機構が働（3）表皮細胞の分化における側方抑制機構

イコーム形成を促進する鍵遺伝子として働き、ト

いていることがわかりました。GL2 遺伝子がトラ
根の表面には根毛が密生しており、土中の水ラ イコ ー ム 形 成 細 胞 内 で はGL1（GLABRA1,分やイオン類、栄養分を吸収します。根毛は根WERのホモログ）
・TTG・GL3の三つのタンパクの表皮細胞の一部が細い円筒状に伸びたもので質 が 転 写 調 節 複 合 体 を 形 成 し てGL2 、CPC、

すが、すべての表皮細胞から生じるわけではあ

TRY遺 伝 子などの転 写を誘 導します。CPCとりません。シロイヌナズナの根においては、根毛TRYタンパク質は隣接する表皮細胞に移動してを生じる細胞（根毛細胞）は一列に並んでおり、

上記の転写複合体の形成を妨害するので、GL2

8 つの列を作っています。根毛細胞の列の間に遺伝子などの転写が抑制され、その細胞はトライは非根毛細胞の列があります（図10 - 1 ）。私達

コームを形成することができません（図10 - 4 B）。

が見いだしたcpc（caprice）突然変異体では根根と同様な側方抑制機構が作用した結果、トラ毛の数が極端に少なくなることから、CPC遺伝

イコームは野原に生える樹木のように葉表面にま子は根毛の形成に必要であると考えられます

ばらにかつ均等に分布することになります（図（図10 - 1 、3 ）（文献28）。CPC遺伝子は R3-type

10 - 5 A）。CPCとTRY遺伝子が共に機能を欠損

mybドメインを持つタンパク質をコードします

した二重突然変異体では、側方抑制が働かないが、驚いたことにCPC遺伝子は根毛細胞ではな

ために、トライコームの束ができます（図10 -く、非根毛細胞で発現しており、CPCタンパク

5 C）（文献31）。また、この二重突然変異体の質は隣の根毛細胞の核内に移動することがわか

根では根毛が全くできなくなります。トライコー

りました（図10 - 2 ）（文献29、30）。他の研究

ムは、葉を食べる昆虫に対する防御装置でもあグループでも根毛形成に関わる多くの遺伝子がります。葉が食われると植物ホルモンのジャス─ 24 ─

第50回内藤記念科学振興賞受賞研究

図10 （1）根毛形成パターンが変化する突然変異体。A：根の横断面。根毛細胞と非根毛細胞の配置を示す。B：野生型。C：根毛が減るcpc変異体。D：すべての表皮細胞が根毛を作るgl2変異体とttg変異体。
（2）A：CPCpro::GFPを導入した転換体の根。CPC遺伝子は非根毛細胞で転写され、根毛細胞（*）では転写されない。D：
CPCpro::CPC:GFPを導入した転換体の根。非根毛細胞で転写・翻訳されたCPCタンパク質が根毛細胞（*）に移動し核内に留まることがわかる。右下の挿入はCPC遺伝子のmRNAが非根毛細胞にあることを確認したin situハイブリダ
イゼーションの結果。文献30を改変。
（3）A：野生型、B：cpc変異体、C：ttg変異体、D：gl2変異体、E：35Spro::CPC導入株の根。文献28を改変。
（4）A：根毛細胞と非根毛細胞における遺伝子発現制御ネットワーク。B：葉表皮のトライコーム形成細胞と非形成細胞における遺伝子発現制御ネットワーク。文献31より転載。
（5）葉表皮のトライコームの形態。A：野生型。トライコームはまばらに均等に生じる。B：35Spro:CPCを導入してCPC
遺伝子を強制的に発現させるとトライコームはできなくなる。C：cpc try二重変異体では側方抑制機構が働かなくなるので、トライコームの束ができる。文献28を改変。

モン酸合成が促進され、新たに作られる葉では発しました。寒天培地を垂直に立ててシロイヌ

トライコームが密に形成されます（文献32）。

ナズナの芽生えを発芽させ、成長途中でシャー

この応答機構に関わる遺伝子URM9, 23（UN-

レの向きを変えたり、黒紙で覆って一方から光を

ARMED9, 23）の解析から、植物の細胞分化の当てるなどの操作を加えることによって、重力屈柔軟性についても知見を得ることができました性や光屈性を検出できます（図11- 1 ）。この方（文献32）。

法を用いて多数の屈性異常変異体を分離しました（図11- 2 ）（文献33、34）。光屈性を示さな（4）物理的環境に対する応答いrpt（root phototropism）変異体の解析から、研究開始の時点での私達の研究グループのも

青色光が光屈性を誘導すること、RPT1遺伝子は

う一つの研究テーマは、物理的な環境シグナル

青色光の受容体であり、RPT2 , 3は光シグナルによって植物が成長パターンを変化させる際のの細胞内伝達機構の主要因子であることがわか

分子機構の解明でした。シロイヌナズナの芽生りました（文献35 - 39）。また、寒天培地の一部

えを用いて、これらの反応に異常を示す多様なを取り除いて根が培地から離れた状態にすると、突然変異体をスクリーニングするために、寒天

根毛が斜め前向きに長く伸びます（図11- 3 ）。

培地を入れた角型のシャーレを使った手法を開これは根の先端が固形物に接触せず、水分の供─ 25 ─

第50回内藤記念科学振興賞受賞研究

図11 （1）寒天培地を用いた刺激応答反応に異常を示すシロイヌナズナ突然変異体のアッセイ系。重力屈性（B）、重力と光の屈性（C）、重力屈性と接触応答（D）、光屈性と接触応答（E）を検定することができる。文献33より転載。
（2）1Cのアッセイ系での各種変異体の反応。白色光を左サイドから照射して24時間後の様子を示す。A：野生型、B：
aux1重力屈性変異体、C：rpt1光屈性変異体、D：aux1-rpt1二重変異体。野生型の根は重力と光の影響を受けて斜め右方向に伸びる。aux変異体では光屈性は正常、rpt変異体では重力屈性は正常なので、それぞれ右向き、下向きに伸びる。二重変異体の根はランダムな方向に伸びる。文献34を改変。
（3）A：寒天培地の一部を除去したアッセイ系を示す。B：野生型の反応の模式図。寒天培地上では根毛は短く表皮細胞から直角に伸びるが、寒天培地から離れると根毛は長く先端に向かって斜めに伸長する。根毛形成細胞は変化しない。C：野生型の根。D：tmd変異体の根。

給が低下することによって誘導される反応と考回転すると反時計回りの波型、Ｓ巻き方向に回えられますが、GPI anchor proteinをコードする

転すると時計回りの波型に成長しますが、寒天

TMD（TIMID）遺伝子の欠損変異体は、この培地を45度斜め置いた場合に、根端の回転方向反応が不完全になることがわかりました（図11-は約 5 時間ごとに反転することがわかりました

3 D）
。さらに、
寒天培地の上では根の成長パター（図12 - 1 ）。この特殊な伸長パターンは根が土中

ンがはっきりと観察できるので、側根が水平に伸で障害物を回避する反応の結果と考えられます

びる変異体を見いだすことができましたが、この（文献42）。波型成長が異常になるwav（wavy

変異体は光形態形成における重要なシグナル伝

growth）変異体を単離したところ（図12 - 2 ）、達因子HY5（LONG HYPOCOTYL5）の変異でwav1は 光 受 容 体 をコ ード す るRPT1遺 伝 子、あることが判明しました。当時光生物学の多くのwav2はBUD EMERGENCE 46 ファミリー遺伝研究者が競っていたHY5 遺伝子のクローニング

子、wav3は RING-ﬁnger type E3 ligase、wav5に成功し、その後の研究の発展に繋がりました

は オ ー キシン 極 性 輸 送 と 重 力 屈 性 に 関 わ る
AUX1（AUXIN RESPONSE1）をそれぞれコー（文献40、41）。
シャーレを斜めに置いたり正面から光を当てると根が寒天培地に押し付けられ、根は波型を繰ドする遺伝子の変異であることがわかりました（文献43、44）。

り返すように成長します。根端部がＺ巻き方向に─ 26 ─

第50回内藤記念科学振興賞受賞研究

図12 （1）A：45度斜めに置いた寒天培地上で野生型の根は波型に成長する。B：垂直に立てた培地上で発芽させ、根の先端が1 の位置の時点で培地を斜めにし、2 の位置の時点で再度垂直に立てて育てた。C：波型成長する根は回転していることがわかる。反時計回りの波型成長の際はZ巻き方向に（E）、時計回りの波型成長の際はS巻き方向に（F）、回転して成長する。D：まっすぐ下向きに成長する根は、回転しない。文献42より転載。
（2）波型成長が異常になる変異体。A︲Hの矢印の位置で培地を斜めにした。I では矢印 1 で斜めに、矢印 2 で垂直に戻した。
A：野生型、B：wav2 変異体。C：wav2 変異体（B）の拡大図。D：wav1 変異体。E：wav4 変異体（G）の拡大図。
F：wav1 変異体（D）の拡大図。G：wav4 変異体。H：wav5 変異体（I）の拡大図。I：wav5 変異体。根端はS巻き方向にのみ回転し、逆向きに回転しないので、根は時計回りに輪を描いて成長する。文献42より転載。

おわりに究の幅広い可能性を多くの研究者に紹介するこ

私の研究手法はシロイヌナズナを用いた分子とが自分の責任の一部と考えてきました。私の遺伝学解析ですが、対象とした現象は多様で統研究室で扱った研究は巣立った研究者が引き継一感に乏しいと言えます。大学院生やポストドク

いだ内容もありますが、国内外の研究者が独自

研究生、研究室のスタッフがそれぞれ別のテーに展開していったものも多数あります。シロイヌ

マを持って研究していた時期が長く、「院生がそ

ナズナ研究者の間には、これまで密接な協力のれぞれ小企業の社長ですね」と評されたことも気運が満ちていたのですが、今後は薄れて行くあります。私は研究室のメンバーに「うちでは一のかもしれません。現在、私は先端研究を続け

人で国内外の一つのラボを相手にしているのだ

る環境にはいませんが、国内外の数多くの研究から、そのつもりで」とハッパをかけていました。

者の協力と競争の中で植物分子生物学発展のた研究室全体で大きな一つのテーマを追いかけ、めの基礎工事の一端を担うことができ、十分に国際的な独走状態になることは研究者の一つの満足しています。最後に、これまでお世話になっ理想形であると思いますが、私は新しい理想的た先生方、研究室のスタッフ、学生、共同研究

なモデル植物が導入された時期に植物科学に者の方々、内藤記念科学振興財団の皆様に深く入った幸運を思い、シロイヌナズナを用いた研感謝いたします。

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