植物はどのようにして、環境に応じて体のかたちを変えるのか？
植物は動くことができません。生えている場所で光、重力、乾燥、傷害、病原菌などの環境変化にさらされたとき、植物はどのように対応しているのでしょうか？植物は、環境に応じて成長の向きや体のかたちを変えながら生きています。興味深いことに、このような環境応答のしくみは、発生や形態形成のときに使われるしくみと深くつながっています。
現在取り組んでいる課題、これから取り組みたいと考えている課題は次のとおりです。
1. 不等分裂の研究：コケ胞子の第一分裂で生じる非対称性とは？
2. 光・重力に依存した植物の発生制御機構の解析：コケの幹細胞の位置と運命が、光と重力シグナルによって決まる仕組みとは？
3. 環境応答時のPINクラスターとVAN3を中心とした膜ダイナミクスの解析
4. 環境ストレス（土壌環境・病原菌応答）応答における細胞膜ドメイン動態の解析
研究内容をさらに詳しく
1. 不等分裂で生じる非対称性とは？
形態や運命が異なる娘細胞を生み出す分裂は、不等分裂と呼ばれます。不等分裂は、多細胞生物の発生過程で広く見られ、幹細胞の維持や細胞分化に重要な役割を果たします。特に植物では、細胞壁があるため細胞が自由に移動できません。そのため、細胞がどの位置で、どの向きに分裂するかは、その後の組織や器官の形成に大きな影響を与えます。
私たちは、コケ植物の胞子が最初に行う不等分裂に注目しています。この分裂では、一方の娘細胞は将来幹細胞として働く未分化な細胞になり、もう一方の娘細胞は仮根へと分化します。このような単純な発生過程を用いることで、細胞の中にどのように非対称性が生じ、それが細胞運命の違いにつながるのかを明らかにしたいと考えています。
また、コケ胞子の第一分裂では、光や重力の方向によって分裂面が影響を受ける可能性があります。今後、ライブイメージングや分子マーカーを用いて、光・重力シグナルが細胞内の極性や分裂方向をどのように制御するのかを解析し、発生・形態形成の基盤となる不等分裂のしくみを理解することを目指します。
2. 光・重力に依存した植物の発生制御機構の解析：コケの幹細胞の未分化性が光と重力シグナルによって制御される仕組みとは？
植物は、光や重力の方向を手がかりにして、体の向きや成長方向を決めています。ゼニゴケの発生過程でも、光・重力シグナルは、背腹軸の形成や幹細胞の運命決定に重要な役割を果たしていると考えられます。
私たちは、ゼニゴケにおいて、オーキシン輸送やPINタンパク質の機能が乱れると、背腹軸形成や幹細胞制御に異常が生じることに注目しています。また、光の方向を変化させたり、重力応答を撹乱したりした場合にも、類似した発生異常が観察されることから、光・重力シグナルとオーキシン輸送が連携して、幹細胞の位置や運命を制御している可能性があります。
この研究では、光や重力の情報が、どのようにして組織内の時空間的な差として現れ、幹細胞の維持や失活、体軸形成につながるのかを明らかにしたいと考えています。この現象を解析することで、植物の体軸形成においてオーキシンとPINが果たしてきた進化的役割にも迫りたいと考えています。
3. 環境応答時のPINクラスターとVAN3を中心とした膜ダイナミクスの動態
動物は、生育環境が自分に都合が悪くなると、より快適な環境を求めて移動できます。一方、植物は移動することができないため、成長方向や器官形成のパターンを変えることで環境に対応します。このとき重要になるのが、植物ホルモンであるオーキシンの輸送と、それを担うPINタンパク質の局在制御です。
私たちの研究室では、PINタンパク質が細胞膜上で形成するPINクラスターに注目しています。PINクラスターは、発生や成長の過程だけでなく、光、重力、土壌環境などの環境刺激に応じて状態が変化する可能性があります。また、PINの局在制御に関わるVAN3や細胞膜環境の変化も、環境応答と形態形成をつなぐ重要な要素であると考えています。
今後、さまざまな環境条件下でPINクラスターやVAN3の動態をライブイメージングにより解析し、外界からの刺激がどのように細胞膜上の分子配置を変化させ、オーキシン輸送や形態形成を制御するのかを明らかにしたいと考えています。
4. 環境ストレス（土壌環境・病原菌応答）応答における細胞膜ドメイン動態
細胞膜は、単なる細胞の境界ではありません。外部環境を感知し、細胞内へ情報を伝える重要な場です。近年、環境変化に応じて、細胞膜のリン脂質組成や膜タンパク質の局在が動的に変化することが明らかになってきました。
私たちが研究してきたVAN3は、細胞膜のリン脂質環境によって活性や局在が制御される分子です。VAN3は、オーキシン輸送や葉脈形成に関わるだけでなく、土壌環境の変化や病原菌応答においても機能する可能性があります。
今後、VAN3を中心とした膜環境の変化を、イメージングや生理学的解析によって調べることで、植物が外部環境の変化をどのように細胞膜上で受け取り、発生や成長の制御へとつなげているのかを明らかにしたいと考えています。また、VAN3とPIN、PINクラスターとの関係を解析することで、環境応答とオーキシン輸送をつなぐ細胞膜ドメインの役割を理解することを目指します。
