植物の細胞と器官の関係を探る理論モデルを構築

・植物の子葉の表面を構成する表皮細胞のジグソーパズル型の形づくりが損なわれた場合に子葉器官の形が異常になることを見出し、この現象を説明する理論モデルを構築しました。
・本研究成果は、ジグソーパズル型の細胞の形づくりの生物学的な意義に新たな知見を与えるとともに、本研究で構築した理論モデルによって植物に限らず様々な生き物の形態形成機構を探ることが期待されます。

【概要説明】　

　熊本大学大学院自然科学教育部修士課程２年（当時）の菊川琴美大学院生と同大学大学院先端科学研究部の檜垣匠教授を中心とした研究グループは、植物の子葉の表面の大部分を構成する表皮細胞の形の異常によって子葉器官の団扇型の形づくりが損なわれることを見出しました。また、この現象を理解するため、九州大学大学院医学研究院の今村寿子助教と共同して、細胞と細胞集団の形に関する理論モデルを構築しました。この理論モデルに基づくコンピュータシミュレーションによって実際の植物で観察された現象が再現され、理論モデルの妥当性が認められました。

　多くの双子葉植物の葉の表皮細胞は成長に伴ってジグソーパズル型の特徴的な形態へと変化を遂げます。この細胞変形の過程を制御する遺伝子や細胞内の構造体の研究は精力的に進められ、分子レベルの制御機構が明らかになっています。しかし、その特徴的な細胞形状の生理学的な意義については不明な点が多く残されていました。この研究成果は、細胞がジグソーパズル型へ変形する生物学的意義のひとつとして器官レベルの形づくりへの貢献があることを示したものです。

本研究成果は令和5年9月18日に科学雑誌「Plant and Cell Physiology」オンライン版に掲載されました。本研究は熊本大学国際先端科学技術研究機構 Research Cluster ’Digital Plant Cell Biology’、日本学術振興会科研費、科学技術振興機構 CRESTの支援を受けて実施されました。

【今後の展開】

本研究により、葉表皮細胞のジグソーパズル型の形がもつ生物学的な意義の一端が解明されました。また、本研究で構築した細胞と器官の形の関係を探る数理モデルは、子葉の研究に限らず様々な生き物の形態形成機構を探る上で役に立ち、波及効果の大きな研究成果と考えられます。

【論文情報】

論文名：Smooth elongation of pavement cells induced by RIC1 overexpression leads to marginal protrusions of the cotyledon in Arabidopsis thaliana.
著者：Kotomi Kikukawa, Hisako Takigawa-Imamura, Kouichi Soga, Toshihisa Kotake, Takumi Higaki* (*責任著者)
掲載誌：Plant and Cell Physiology
doi：https://doi.org/10.1007/s00709-022-01813-7
URL：https://link.springer.com/article/10.1007/s00709-022-01813-7

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