２０２１年１１⽉５⽇

新潟⼤学

理 化 学 研 究 所
名城⼤学

中部

⼤学

植物の組織修復と接ぎ⽊における器官再接着に必要な転写因⼦を発⾒
新潟⼤学理学部の池内桃⼦准教授（理化学研究所環境資源科学研究センター客員研究員）、理化学研究所環境資源科学研究センターの杉本慶⼦チームリーダー（東京⼤学⼤学院理学系研究科教授）・岩瀬哲上級研究員・豊岡公徳上級技師、産業技術総合研究所の光⽥展隆グループ
⻑、名城⼤学理⼯学部の堀⽥⼀弘教授、中部⼤学応⽤⽣物学部の鈴⽊孝征准教授らの研究グル
ープは、モデル植物のシロイヌナズナを⽤いた研究によって傷⼝の治癒と器官の再接着に必要な転写因⼦ （ 注 1） 「WOX13」を発⾒しました。WOX13 はコケ植物でも傷害によって誘導される細胞リプログラミング （ 注 2） に必要であることが知られており、本研究は傷害応答と器官再⽣を制御する仕組みの進化を理解するうえでも重要な知⾒です。また、本研究の成果は、新たな接ぎ⽊技術の開発など農業分野への応⽤が期待されます。本研究成果は、2021 年 11 ⽉ 4⽇（⽇本時間）にアメリカ植物⽣理学会の学会誌「Plant Physiology」の電⼦版に掲載されました。
【本研究成果のポイント】
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傷害刺激によって発現誘導される転写因⼦として WOX13 を同定した

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WOX13 は傷⼝でのカルス （ 注 3） 形成と器官の再接着に必要である

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WOX13 は細胞壁の分解や細胞伸⻑を制御する遺伝⼦群の発現を調節する

Ⅰ．研究の背景
植物は⾼い再⽣能⼒を持ち、器官が切断されると細胞塊であるカルスを形成して速やかに傷⼝を塞ぎ、器官をつなぎ合わせることができます。しかしながら、植物が切断刺激を感受してからどのように細胞分裂・伸⻑を活性化して器官を再び接着させているのかは、これまで明らかになっていませんでした。そこで本研究グループは、傷⼝におけるカルス形成に関与する因⼦を探索するために、モデル植物シロイヌナズナを⽤いたトランスクリプトーム解析 （ 注 4） を⾏い、器官の切断後に発現が誘導される遺伝⼦について解析していました（Ikeuchi et al.,2017 Plant Physiol.）。その中で、切断後 1 時間以内に速やかに発現が誘導される WUSCHELRELATED HOMEOBOX 13 （ WOX13 ）遺伝⼦に着⽬しました。WOX13 は、WOX ファミリーとよばれる遺伝⼦ファミリーに属する転写因⼦であり、陸上植物で広く進化的に保存されていることから、何らかの重要な機能を有することが期待されました。コケ植物のヒメツリガネ
ゴケでは、葉を切断した際に細胞がリプログラミングして幹細胞を形成する現象に重要な機能を果たすことが知られていましたが、WOX13 が種⼦植物の器官再⽣において果たす機能はこれまで明らかになっていませんでした。
Ⅱ．研究の概要・成果
WOX13 がカルスの形成において果たす役割を調べたところ、WOX13 の機能が⽋損している突然変異体（機能⽋損体）では器官の傷⼝に形成されるカルスが著しく⼩型化していることが明らかになりました。カルスがどうして⼩型化しているのかを詳細に調べるために、カルスの組織切⽚画像に対して X-net（Fujii et al., 2021）という、堀⽥教授らが新しく開発した機械学習⼿法を⽤いてセグメンテーション（ 注 5）を⾏い、細胞を⾃動的に検出する解析をしました（図1）。その結果、wox13 変異体ではカルスを構成する細胞の数が減少するだけでなく、カルスの中でも特に⼤きな細胞が消失していることを定量的に⽰すことができました。また、傷⼝にできるカルスが著しく⼩型化すると、器官の癒合がうまくいかなくなるのではないかと考えて調べたところ、WOX13 の機能⽋損体では器官の再接着が全く起こらないことが明らかになり、WOX13 は再接着に必要な遺伝⼦であることが証明されました。さらに、WOX13 がどのようにカルス形成と器官再接着を制御しているのかを調べるために、クロマチン免疫沈降法（ 注 6）およびトランスクリプトーム解析によって WOX13 の標的遺伝⼦を網羅的に探索しました。その結果、WOX13 は傷害誘導性の器官再⽣に重要な役割を果たすことがすでにわかっている WIND遺伝⼦群とお互いに制御し合っていることがわかりました。また、WOX13 の標的遺伝⼦群には、細胞壁成分多糖の分解や細胞伸⻑の制御に関わる遺伝⼦が多く含まれていることも明らかになりました。これらの実験結果に基づき、切断刺激に応答して発現する WOX13 が細胞リプログラミングと細胞壁の再編成を制御することによって、カルス形成と器官の再接着を司っていることが明らかになりました（図 2）。

III．今後の展開
今回の研究で明らかになった WOX13 標的遺伝⼦候補の機能を明らかにしていくことによって、器官接着を制御するメカニズムの解明がさらに進むと期待できます。また、WOX13 の発現を⼈為的に制御することができるようになれば、接ぎ⽊が成功しづらい植物種においても接ぎ⽊ができるようになる等、農業分野への応⽤が期待されます。
Ⅳ．研究成果の公表
本研究成果は、2021 年 11 ⽉ 4 ⽇（⽇本時間）、Plant Physiology 誌に掲載されました。
論⽂タイトル：Wound-inducible WUSCHEL RELATED HOMEOBOX 13 is required forcallus growth and organ reconnection.
著者：Ikeuchi M, Iwase A, Ito T, Tanaka H, Favero DS, Kawamura A, Sakamoto S,Wakazaki M, Tameshige T, Fujii H, Hashimoto N, Suzuki T, Hotta K, Toyooka K, Mitsuda N,Sugimoto K.
doi: 10.1093/plphys/kiab510

Ⅴ．謝辞
本研究は科学研究費補助事業・若⼿研究 B (17K15146)、基盤研究 C（20K06712）、特別研究員奨励費（17J40121）、新学術領域研究「細胞システムの⾃律周期とその変調が駆動する植物の発⽣」（20H05431）、新学術領域研究「植物の⽣命⼒を⽀える多能性幹細胞の基盤原理」（20H04894）、国⽴研究開発法⼈農業・⾷品産業技術総合研究機構⽣物系特定産業技術研究⽀援センターのイノベーション創出基礎的研究推進事業、および内藤記念次世代育成⽀援、武⽥科学振興財団ライフサイエンス研究助成、資⽣堂⼥性研究者グラントの⽀援を受けて⾏われました。

【⽤語解説】（注1）

転写因⼦：他の遺伝⼦の転写 ON/OFF を調節する機能を持つタンパク質（注2）

リプログラミング：広義に細胞の運命転換（注3）

カルス：器官の切断やホルモン処理などの刺激に応答して形成される細胞塊（注4）

トランスクリプトーム解析：網羅的に遺伝⼦発現を調べる実験⼿法（注5）

セグメンテーション：画像中から特定の対象を抽出すること（注6）

クロマチン免疫沈降法：特定のタンパク質が結合するゲノム領域を調べる実験⼿法

本件に関するお問い合わせ先【研究内容に関すること】
新潟⼤学理学部准教授

池内桃⼦（いけうちももこ）

E-mail：ikeuchi@ bio.sc.niigata-u.ac.jp【広報担当】
新潟⼤学広報室
E-mail：pr-office@adm.niigata-u.ac.jp
理化学研究所広報室報道担当
E-mail：ex-press@riken.jp
名城⼤学渉外部広報課
E-mail：kouhou@ccmails.meijo-u.ac.jp
中部⼤学学園広報部広報課
E-mail：cuinfo@office.chubu.ac.jp