茎頂分裂組織における成長制御およびシュート幹細胞維持メカニズムの解析
Growth regulation in the shoot meristem for stem cell maintenance（公益社団法人日本植物学会推薦）

代表研究者

熊本大学

相田 光宏

Kumamoto University

Mitsuhiro AIDA

協同研究者

熊本大学

山田 瑞樹

Kumamoto University

Mizuki YAMADA

Stem cells that produce plant shoot organs such as leaves, stems, and floral organs are maintained at the summit of
a dome-shaped tissue called the shoot meristem. Continuous cell proliferation within the shoot meristem results in thelateral expansion of the tissue and allows production of lateral organ primordia that grow distally from the tissue periphery.
How this dynamic growth pattern of the shoot meristem is regulated and how the shoot stem cells are maintained within
the tissue remain elusive. By focusing on the functions of the transcription factors CUC1, CUC2, and CUC3, which areessential for shoot meristem formation and morphogenesis of organ boundaries, together with their downstream factorsthat are potentially involved in directional tissue growth, we investigated molecular mechanisms that regulate growth
patterns within the shoot meristem and their significance in stem cell maintenance. The results suggest that thephytohormone auxin plays a key role in the downstream process.
研究目的

し、芽生えの時期までにドーム状の形状を示すよう植物は一生に渡って成長を続け、中には数 10 メーになる（同じ図の下段）。その後の発生でも水平方向トルもの高さに達する植物種もある。こうした植物への成長は維持されるが、葉原基では組織の成長がの高い成長能力を支える要因の一つとして、頂端分一転して垂直方向にシフトする。これまでに同定さ裂組織のはたらきが挙げられる。頂端分裂組織は茎れた、茎頂分裂組織の水平方向の成長が阻害されると根の先端に存在する未分化な組織であり、これら変異体では、シュート幹細胞群が維持できないの組織中の細胞が分裂を繰り返すことで、体のパー(Barton and Poethig, 1993)。このことは分裂組織の水ツとなる各種の器官を継続的に生み出される。頂端平方向の成長がシュート幹細胞群の永続性に重要で分裂組織の活性が長期的に維持されることで、植物あることを示唆しているが、その詳細なメカニズムは上下方向への成長を続けることが出来る。

は不明である。本研究ではシュート幹細胞群が維持

頂端分裂組織のうち、茎の先端にある方は茎頂分裂組織と呼ばれ、１本の茎とそれを囲む多数の葉からなるシュートという構造をつくる。茎頂分裂組織はドーム状の形をしており、その中央先端部に一群の幹細胞（シュート幹細胞）が存在する。幹細胞は継続的に分裂して自己を更新しながら分化細胞を生み出す細胞のことであり、シュート幹細胞を長期的に維持するしくみの理解が、植物の成長メカニズムを理解する上で必須である。
茎頂分裂組織およびシュート幹細胞群は、ともに胚発生において子葉の境界部に生じる（右図の上段）。
この時期、茎頂分裂組織は水平方向へと拡大を開始

される場としての茎頂分裂組織に着目し、子葉境界次にこの遺伝子の発現の消失が、cuc2 cuc3 二重変部で発現して茎頂分裂組織の形成を促進する CUP-異体の形態異常に関係しているかどうかを調べるた

SHAPED COTYLEDON 遺伝子群（CUC1・CUC2・め、この遺伝子のコード配列を CUC2 遺伝子のプロCUC3; Takeda and Aida, 2011) の制御下でどのようにモーター配列の下流につないだ融合遺伝子を cuc2

茎頂分裂組織とシュート幹細胞群が形成および維持

cuc3 二重変異体へ導入したところ、表現型の回復はされるのかを、CUC の下流遺伝子群に着目して明ら見られなかった。

かにすることを目指した。この研究により、茎頂分続いてもう一つの CUC 下流遺伝子候補であるオ

裂組織に特有な成長パターンがいかにして確立し維ーキシン応答抑制遺伝子についても解析を進めた。

持されるかが明らかにできるとともに、この成長パ

まず、この遺伝子の発現について GUS レポーター系

ターンが植物の永続的な器官形成過程にどのような統を用いて解析したところ、胚発生の早い段階から役割を持つかが明らかにできると期待できる。

CUC 遺伝子の発現領域と重なる部位で発現することが分かった。次に、同じレポーター遺伝子を cuc2

研究経過

cuc3 二重変異体へ導入したところ、GUS の発現はこれまで我々は CUC1・CUC2・CUC3 によって発CUC の発現部位に相当する領域の一部において消現が制御される下流遺伝子として、KNOX 型転写因失することが分かった。このことから、CUC 遺伝子子をコードする STM および ALOG 型転写因子をコはオーキシン応答抑制遺伝子の発現制御にも関わるードする LSH3・LSH4 を同定し、これらの遺伝子がことが明らかになった。

CUC の下流で茎頂分裂組織の形成と子葉原基境界

ここまでの結果は、CUC 遺伝子がオーキシンの生部の形態形成に影響することを明らかにしてきた合成および応答性に関わる遺伝子の発現を制御する(Takeda et al., 2011; Scofield et al., 2018)。CUC の下流ことで、胚におけるオーキシン応答の状態を変化さ遺伝子候補をさらに多数同定する目的で、CUC1 過せる可能性を示唆する。そこで、オーキシンの応答剰発現体を用いたトランスクリプトーム解析を行っ性リポーター遺伝子である DR5 の発現パターンにつたところ、オーキシン生合成遺伝子およびオーキシいて、正常胚と cuc2 cuc3 二重変異体胚とで比較しン応答の抑制遺伝子の２種類が同定された。オーキた。その結果、正常な胚では頂端部 2 箇所の対称なシンは植物ホルモンの一種で、局所的に生合成され、位置において DR5 の発現が開始され、その部分が子極性輸送によって細胞間を移動し、特定の部位に蓄葉原基へと発達するのに対し、cuc2 cuc3 では DR5 の積して植物器官の形成を促す働きを持つ (Leyser,発現開始が正常胚より遅れ、発現を始めた後も、そ2018)。加えてオーキシンには、維管束細胞の形成期の空間的パターンに乱れが生じていた。このことは、に見られるように、細胞を特定の方向へ偏って伸長CUC 遺伝子が胚頂端部における正常なオーキシンさせるはたらきも知られている(Biedroń and Banasiak,応答の分布形成に必要なことを示唆する。

2018)。そこで、これらのオーキシン関連因子の発現

次に正常胚と cuc2 cuc3 胚のそれぞれを高濃度のが CUC 遺伝子の働きにより活性化し、茎頂分裂組織オーキシンを含む培地で培養した後に DR5 の発現パおよび子葉原基境界部の成長方向へ影響するのではターンを観察したところ、正常胚では DR5 のシグナないかと考え、さらに解析を進めることにした。

ルの分布がほとんど変わらなかったのに対して、まずオーキシンの生合成遺伝子の発現を GFP レポ

cuc2 cuc3 では広い範囲でシグナルの増加が認められーターを用いて解析したところ、この遺伝子は胚発た。このことは、CUC 遺伝子が胚頂端部の細胞のオ生の早い段階から CUC 遺伝子が発現する部位と重ーキシン応答性を抑制していることを示している。

なる領域である子葉境界部において発現することがさらに、正常な胚と cuc2 cuc3 胚のそれぞれについ分かった。一方、同じレポーターを CUC 遺伝子の突て、オーキシンの極性輸送阻害剤の存在下で培養し然変異体で、茎頂分裂組織を欠損し、子葉に強い形た後に DR5 の発現パターンを観察したところ、いず態異常を示す cuc2 cuc3 二重変異体へ導入したとこ

れにおいても胚頂端部でのシグナルの消失が一部のろ、GFP の発現がほぼ消失することが分かった。以個体で観察された。ただ興味深いことに、シグナル上から、オーキシン生合成遺伝子の発現活性化にを消失する個体の割合は正常杯よりも cuc2 cuc3 のCUC が必要であることが分かった。

ほうが小さかった。このことは、cuc2 cuc3 変異体において極性輸送の阻害剤に対する感受性が減少していることを示している。

CUC 遺伝子がオーキシンを介して発生過程を制御することは、葉の発生や胚珠の発生においても知最後に、CUC 遺伝子が幹細胞の制御因子の発現にられている (Bilsborough et al., 2011; Galbiati et al.,

与える影響についても調べた。シロイヌナズナにお2013)。このことから、本研究で胚発生において見出いては、シュート幹細胞群で発現する CLV3 とそのした CUC 遺伝子のオーキシンに対する影響は、この直下の細胞群で発現する WUS の相互作用が、シュー遺伝子が関わる他の発生過程においても共通したもト幹細胞の維持に重要であることが分かっているのであると考えることができる。ただし葉や胚珠の(Somssich et al., 2016)。両遺伝子の胚における発現を発生と異なり、胚ではシュート幹細胞の制御というcuc2 cuc3 において調べたところ、いずれも顕著に減ユニークかつ重要な過程が含まれていることから、少していた。また、WUS 遺伝子に対する CUC1 の過今後も CUC 遺伝子の下流において、オーキシンとシ剰発現の影響を調べたところ、WUS の発現が CUC1

ュート幹細胞形成がどのような関係にあるのかを更によって促進されることが分かった。に詳しく解析していくことの意義は大きいと思われる。

考察
本研究において、CUC 遺伝子が１）子葉境界部においてオーキシンの生合成および応答抑制に関わる遺伝子の発現を制御すること、２）子葉形成にともなうオーキシン応答の空間的分布を制御すること、
３）胚頂端部の細胞のオーキシンに対する応答性をBarton, M.K., and Poethig, R.S. (1993). Formation of the shootapical meristem in Arabidopsis thaliana: an analysis ofdevelopment in the wild type and in the shoot meristemlessmutant. Development 119, 823-831.

抑制すること、４）オーキシン極性輸送阻害剤に対Biedroń, M., and Banasiak, A. (2018). Auxin-mediated

する感受性を高めること、そして５）シュート幹細regulation of vascular patterning in Arabidopsis thaliana

胞の制御系遺伝子である WUS と CLV3 の発現を促進

leaves. Plant Cell Rep 37, 1215-1229.

することが明らかになった。以上のことから、CUC遺伝子がオーキシンの生合成、応答抑制、極性輸送を介して胚頂端部におけるオーキシン応答の空間的な分布を制御し、正常な子葉形成および WUS－CLV3制御系の発現を含めたシュート幹細胞の形成を促進する、というシナリオが考えられる。

Bilsborough, G.D., Runions, A., Barkoulas, M., Jenkins,H.W., Hasson, A., Galinha, C., Laufs, P., Hay, A.,
Prusinkiewicz, P., and Tsiantis, M. (2011). Model for theregulation of Arabidopsis thaliana leaf margin development.
Proc Natl Acad Sci U S A 108, 3424-3429.

ただし、CUC 遺伝子はオーキシンに関連する遺伝

Galbiati, F., Sinha Roy, D., Simonini, S., Cucinotta, M.,

子以外にも数多くの遺伝子の発現を制御しており、Ceccato, L., Cuesta, C., Simaskova, M., Benkova, E.,

その中には KNOX 型転写因子をコードする STM や

Kamiuchi, Y., Aida, M., Weijers, D., Simon, R., Masiero,

AOG 型転写因子をコードする LSH3・LSH4 などの調S., and Colombo, L. (2013). An integrative model of the節遺伝子も含まれている。CUC 遺伝子の子葉境界部形成およびシュート幹細胞制御系への影響が、実際にオーキシン関連遺伝子の発現を介したものかどう

control of ovule primordia formation. Plant J 76, 446-455.
Leyser, O. (2018). Auxin signaling. Plant Physiol 176, 465-479.

かについては、今後慎重に検討していく必要がある。

Scofield, S., Murison, A., Jones, A., Fozard, J., Aida, M.,

特に、CUC2 遺伝子のプロモーター配列の制御下でBand, L.R., Bennett, M., and Murray, J.A.H. (2018).

オーキシン生合成遺伝子を発現させても cuc2 cuc3

Coordination of meristem and boundary functions by

変異体の表現型を回復しなかったことから、少なくtranscription factors in the SHOOT MERISTEMLESSとも単一のオーキシン生合成遺伝子の発現の有無で、子葉形成と幹細胞形成に対する CUC 遺伝子の影響を説明することは困難である事がわかる。したがって今後は、オーキシン生合成遺伝子とその他の CUC下流遺伝子との複合的な効果を検討する必要がある。

regulatory network. Development 145.
Somssich, M., Je, B.I., Simon, R., and Jackson, D. (2016).
CLAVATA-WUSCHEL signaling in the shoot meristem.
Development 143, 3238-3248.

Takeda, S., and Aida, M. (2011). Establishment of theーキシン生合成遺伝子の発現解析. 田中俊介,

embryonic shoot apical meristem in Arabidopsis thaliana. J

相田光宏. 新学術領域研究「植物多能性幹細胞」
第２回若手ワークショップ. 国民宿舎小豆島交

Plant Res 124, 211-219.
Takeda, S., Hanano, K., Kariya, A., Shimizu, S., Zhao, L.,
Matsui, M., Tasaka, M., and Aida, M. (2011). CUP-流センター, 小豆島. 2018/10/05.
3.

境界部からの情報発信～子葉形成と境界部の関係～. 相田光宏 遺伝学研究所研究会「イネ分子SHAPED COTYLEDON1 transcription factor activates the遺伝学の飛躍」国立遺伝学研究所, 三島.

expression of LSH4 and LSH3, two members of the ALOG

2018/10/12.

gene family, in shoot organ boundary cells. Plant J 66, 1066-

4.

シュート幹細胞の形成機構. 相田光宏. 第４回幹細胞研究会「幹細胞の基本原理と共通性～植1077.

物と動物の比較から～」岡崎コンファレンスセ
ンター, 岡崎. 2018/11/07-

研究の発表
口頭発表
1.

茎頂分裂組織を介した植物の成長と形づくりのセグメンテーションによるシロイヌナズナ胚頂メカニズム. 相田光宏. 日本動物学会・九州沖縄端部の形態解析. 井上雄規, 相田光宏. 新学術領植物学会・日本生態学会 合同熊本例会. 熊本大域研究「植物多能性幹細胞」 第２回若手ワーク学, 熊本. 2018/11/17

ショップ. 国民宿舎小豆島交流センター, 小豆2.

5.

6.

Organ boundary as a signaling source for embryonic

島. 2018/10/05.

shoot morphogenesis. Aida M. Mechanisms of Plant

シロイヌナズナの茎頂分裂組織形成におけるオPerception -from endogenous to exogenous-. Centre
Général Guisan, Lausanne, Switzerland, 2019/09/20.