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、植物再生の新たな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節物質の使用が必要でしたが、これらは種特異的で手間がかかります。新しい研究では、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）に関わる遺伝子の機能と発現を制御することで、新しい植物再生システムを開発しました。詳細を見る
植物再生の従来の方法では、植物成長調節剤のようなホルモン植物の再生には、種特異的で労力を要するプロセスが存在します。新しい研究では、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）に関わる遺伝子の機能と発現を制御することで、新しい植物再生システムを開発しました。
植物は長年にわたり、動物や人間にとって主要な食料源となってきた。さらに、植物からは様々な医薬品や治療薬が抽出される。しかし、植物の乱用と食料需要の増大は、新たな植物育種法の必要性を浮き彫りにしている。植物バイオテクノロジーの進歩は、生産性が高く気候変動にも強い遺伝子組み換え（GM）植物を生産することで、将来の食糧不足を解消する可能性を秘めている。
植物は本来、単一の「全能性」細胞（複数の細胞型に分化できる細胞）から、脱分化と再分化を繰り返して、異なる構造と機能を持つ細胞へと完全に新しい植物を再生することができる。このような全能性細胞を植物組織培養によって人工的に培養することは、植物保護、育種、遺伝子組み換え種の生産、そして科学研究の目的で広く用いられている。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物質（GGR）を用いる必要があった。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る。そのため、最適な探索条件を作り出すことは、時間と労力を要する作業となる。
この問題を克服するため、井川智子准教授は、千葉大学の南川麻衣准教授、名古屋大学大学院生物農学研究科の榊原仁教授、理化学研究所CSRSの専門技術者である小島美紀子氏とともに、調節による植物制御の普遍的な方法を開発した。「発生調節型」（DR）細胞分化遺伝子の発現を利用して植物再生を実現する。2024年4月3日発行のFrontiers in Plant Science第15巻に掲載された論文で、井川博士は研究内容についてさらに詳しく説明し、「私たちのシステムは外部の植物成長調節物質（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する。これは哺乳類で誘導される多能性細胞に似ている」と述べている。
研究者らは、モデル植物として用いたシロイヌナズナから、BABY BOOM（BBM）とWUSCHEL（WUS）という2つのDR遺伝子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における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はシュート頂端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。
彼らの実験では、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の細胞分化を誘導するには不十分であることが示された。対照的に、機能強化BBMと機能改変WUSの共発現は、加速された自律分化表現型を誘導する。PCRを使用せずに、形質転換葉細胞はカルス（無秩序な細胞塊）、緑色の器官様構造、および不定芽に分化した。遺伝子転写産物を定量化するために使用される定量的ポリメラーゼ連鎖反応（qPCR）分析により、シロイヌナズナBBMおよびWUSの発現は形質転換カルスおよびシュートの形成と相関することが示された。
植物ホルモンが細胞分裂と分化において重要な役割を担っていることを考慮し、研究者らは遺伝子組み換え植物作物において、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6種類の植物ホルモンの量を定量した。その結果、活性型オーキシン、サイトカイニン、ABA、および不活性型GAの濃度は細胞が器官に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ホルモン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および定量的解析手法であるRNAシーケンストランスクリプトームを用いて、活発な分化を示す形質転換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、発現調節が異なっている遺伝子群に多く含まれていることが明らかになった。qPCRを用いた詳細な解析により、形質転換細胞では、植物細胞の分化、代謝、器官形成、およびオーキシン応答を調節する遺伝子を含む4つの遺伝子の発現が増加または減少していることが判明した。
総じて、これらの結果は、外部からのPCR処理を必要としない、植物再生のための新しい汎用性の高いアプローチを明らかにしている。さらに、本研究で使用したシステムは、植物細胞分化の基本的なプロセスに関する理解を深め、有用な植物種のバイオテクノロジーによる選抜を向上させる可能性を秘めている。
井川博士は自身の研究の潜在的な応用について、「今回報告したシステムは、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、植物育種を改善できる可能性がある。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、社会は植物育種を加速させ、関連する生産コストを削減できるだろう」と述べた。
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および宇宙農業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、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。これらの分野で数多く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、国際植物有性生殖研究学会の会員です。
ホルモンを外部から使用しないトランスジェニック細胞の自律的分化：内因性遺伝子の発現と植物ホルモンの挙動
著者らは、本研究は潜在的な利益相反とみなされうる商業的または金銭的な関係が一切ない状況で実施されたことを表明する。
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