研究者たちは、植物細胞の分化を制御する遺伝子の発現を調節することで、植物再生の新しい方法を開発している。

 画像：従来の植物再生法では、ホルモンなどの植物成長調整剤の使用が必要とされますが、これらは種特異的で、手間がかかる場合があります。新たな研究で、科学者たちは植物細胞の脱分化（細胞増殖）と再分化（器官形成）に関与する遺伝子の機能と発現を制御することで、新たな植物再生システムを開発しました。続きを見る
植物再生の伝統的な方法では、植物成長調整剤のようなホルモン植物種特異的で、労働集約的な手法である。新たな研究において、科学者らは植物細胞の脱分化（細胞増殖）と再分化（器官形成）に関与する遺伝子の機能と発現を制御することで、新たな植物再生システムを開発しました。
植物は長年にわたり、動物と人間の主要な食料源となってきました。さらに、植物は様々な医薬品や治療薬の化合物の抽出にも利用されています。しかし、植物の誤用や食用需要の高まりは、新たな植物育種法の必要性を浮き彫りにしています。植物バイオテクノロジーの進歩は、より生産性が高く、気候変動への耐性を持つ遺伝子組み換え（GM）植物を生産することで、将来の食糧不足を解決できる可能性があります。
植物は本来、単一の「全能性」細胞（複数の細胞種を生み出すことができる細胞）から、異なる構造と機能を持つ細胞へと脱分化と再分化を繰り返すことで、全く新しい植物を再生することができます。植物組織培養によるこのような全能性細胞の人工的な調整は、植物保護、育種、遺伝子組み換え種の作製、そして科学研究の目的で広く用いられています。従来、植物再生のための組織培養では、細胞分化を制御するために、オーキシンやサイトカイニンなどの植物成長調節因子（GGR）の使用が求められていました。しかし、最適なホルモン条件は、植物種、培養条件、組織の種類によって大きく異なります。そのため、最適な探索条件を構築するには、時間と労力を要する作業となります。
この問題を克服するため、井川智子准教授は、千葉大学の南川舞准教授、名古屋大学大学院生命農学研究科の榊原仁教授、理化学研究所環境・社会科学研究科の専門技術者である小島美紀子氏と共同で、植物を制御によって制御する普遍的な方法を開発しました。これは、「発生制御型」（DR）細胞分化遺伝子の発現によって植物の再生を実現するものです。2024年4月3日にFrontiers in Plant Science誌第15巻に掲載されたこの研究について、井川博士は次のように述べています。「私たちのシステムは、外部の遺伝子発現制御因子（PGR）を使用せず、代わりに転写因子遺伝子を用いて細胞分化を制御します。哺乳類で誘導される多能性細胞に類似しています。」
研究者らは、モデル植物としてシロイヌナズナ（Arabidopsis thaliana）から2つのDR遺伝子、BABY BOOM（BBM）とWUSCHEL（WUS）を異所的に発現させ、タバコ、レタス、ペチュニアの組織培養分化への影響を調べた。BBMは胚発生を制御する転写因子をコードし、WUSは茎頂分裂組織領域における幹細胞のアイデンティティを維持する転写因子をコードしている。
実験では、シロイヌナズナBBMまたはWUSの単独発現では、タバコ葉組織における細胞分化誘導には不十分であることが示された。一方、機能強化BBMと機能改変WUSの共発現は、自律的な分化表現型を加速的に誘導した。PCRを用いずに、遺伝子組み換え葉細胞はカルス（無秩序な細胞塊）、緑色器官様構造、そして不定芽へと分化した。遺伝子転写産物の定量化に用いられる定量ポリメラーゼ連鎖反応（qPCR）解析により、シロイヌナズナBBMおよびWUSの発現は、遺伝子組み換えカルスおよびシュートの形成と相関していることが示された。
細胞分裂と分化における植物ホルモンの重要な役割を考慮し、研究者らは、遺伝子組み換え植物における6種類の植物ホルモン、すなわちオーキシン、サイトカイニン、アブシジン酸（ABA）、ジベレリン（GA）、ジャスモン酸（JA）、サリチル酸（SA）およびその代謝物の濃度を定量化した。その結果、活性オーキシン、サイトカイニン、ABA、および不活性GAの濃度は、細胞が器官へと分化するにつれて増加することが示され、植物細胞の分化と器官形成におけるこれらの役割が明らかになった。
さらに、研究者らは、遺伝子発現の定性的・定量的解析法であるRNAシークエンシングトランスクリプトームを用いて、活発な分化を示すトランスジェニック細胞における遺伝子発現パターンを評価した。その結果、細胞増殖およびオーキシンに関連する遺伝子が、分化制御遺伝子群に多く含まれていることが示された。さらにqPCRを用いた解析により、トランスジェニック細胞では、植物細胞分化、代謝、器官形成、オーキシン応答を制御する遺伝子を含む4つの遺伝子の発現が増加または減少していることが明らかになった。
全体として、これらの結果は、PCRなどの外部からの適用を必要としない、植物再生のための新しく汎用性の高いアプローチを明らかにしています。さらに、本研究で使用されたシステムは、植物細胞分化の基本プロセスに関する理解を深め、有用植物種のバイオテクノロジー選抜を向上させる可能性を秘めています。
井川博士は、自身の研究の潜在的な応用について、「報告されたシステムは、PCRを必要とせずに遺伝子組み換え植物細胞の細胞分化を誘導するツールを提供することで、植物育種を改善する可能性があります。したがって、遺伝子組み換え植物が製品として受け入れられる前に、社会は植物育種のスピードを上げ、それに伴う生産コストを削減するでしょう」と述べました。
井川智子准教授について 井川智子博士は、千葉大学大学院園芸学研究科、分子植物科学センター、宇宙農園芸研究センターの助教です。研究分野は、植物の有性生殖と発生、そして植物バイオテクノロジーです。様々な遺伝子組み換えシステムを用いて、有性生殖と植物細胞分化の分子メカニズムの解明に取り組んでいます。これらの分野で多数の論文を発表しており、日本植物バイオテクノロジー学会、日本植物学会、日本植物育種学会、日本植物生理学会、国際植物性生殖学会の会員です。
ホルモンを外部から使用しない遺伝子組み換え細胞の自律的分化：内因性遺伝子の発現と植物ホルモンの挙動
著者らは、この研究は利益相反と解釈される可能性のあるいかなる商業的または金銭的関係もなく実施されたことを宣言します。
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