シロイヌナズナ花序形態の制御 - Semantic Scholar...CRM1遺 伝子と,ERも...

6
Plant Morphology19(1):39-44,2008. シロイヌナズナ花序形態の制御 山 口暢 俊1,米 田 好 文1 1東京大学大学院理学系研究科生物科学専攻 〒113 -0033東 京 都 文 京 区 本 郷7-3-1 要 旨:シ ロイヌナ ズナ の野 生 型Columbia株 は,顕 著 な花 茎 の伸 長 とともに花 芽 を付 けていくため,総 状 花 序 と呼 ば れ る花 序 形 態 を 示 す.一 方,Landsberg erecta(Ler)株 は,花 序 先 端 部 に花 芽 が 密 集 した 散 房 花 序 と近 似 した 花 序 形 態 を 示 す.花 序 形 態 形 成 機 構 に 関 して 新 た な 知 見 を得 るた め に,散 房 花 序 様 変 異 体 で あ るcorymbosal(crm1)と crm2変異 体 を単 離 し,小花 柄 と節 間の 細胞 伸 長 欠 損 により花 序 形 態 が変 化 す るcrm1変異 体 に注 目した .crm1変 異 はerやcrm2変異 と相加 的 な関係 であったた め,CRM1遺伝 子 はERやCRM2遺 伝 子 は それ ぞれ 独 立 の経 路 で 機 能 す る 可 能 性 が 示 唆 され た.ポ ジ シ ョナ ル クロー ニ ン グ に より,crm1変 異 体 の 原 因 遺 伝 子 は オ ー キ シ ンの 極 性 輸 送 に必 要 であるBIG遺 伝 子 であり,花序 分 裂組 織,花 芽 分 裂 組 織,小 花柄 と節 間 の維 管 束 で発 現 していることがわ か っ た.crm1-1変 異 体 とオ ー キ シ ン 輸 送 阻 害 剤 で 処 理 した 花 序 で は,オ ー キ シ ンの 蓄 積 に よって 発 現 が 誘 導 され る マー カー,DR5の発 現 量 の減 少 とPIN1タ ンパ ク質 の蓄 積 量 の増 加 が観 察 され た .さらにオーキシン輸送阻害剤 処理 によって小 花 柄 の伸 長 は抑 制 され たた め,これ らの 変化 はCRM1/BIGタ ンパ ク質 が制御 す るオ ー キシン輸 送 経 路 を 欠 損 した た め に 起 こっ た と考 え られ る.発 現 解 析 の 結 果,LEAFY(LFY)遺 伝 子 やCUP-SHAPED COTYLEDON2 (CUC2)遺 伝 子 の 発 現 量 がcrm1-1変 異 体 で は増 加 していた.そのた め,crm1変異 体 での 花 序形 態 の変 化 はオ ー キ シンの輸送欠損のみが原 因ではない可能性 があり,これらの遺伝子の関与を検討 する必 要がある . The regulation of inflorescence architecture in Arabidopsis. Nobutoshi YAMAGUCHI1and Yoshibumi KOMEDA1' 1Department of Biologic al Sciences,Graduate School of Science,The University of Tokyo,7-3-1Hongo,Bunkyo-ku, Tokyo113-0033,Japan Author for correspondence:Yoshibumi KOMEDA,Department of Biological Sciences,Graduate School of Science, The University of Tokyo,7-3-1Hongo,Bunkyo-ku,Tokyo113-0033,Japan Summary:The inflorescence architecture in Arabidopsis thaliana accession Columbia is a raceme with individual flowers developing acropetally.The accession Landsberg erecta(er)displays a corymb-like inflorescence.To understand the regulation of inflorescence architecture,we screened corymb-like inflorescence mutants,corymbosal (crm1)and crm2.We focused crm1mutant and found that reduction of cell elongation in crml pedicels and stem internodes.crml is additive with er or crm2,suggesting CRM1,ER,and CRM2control inflorescence development independently.Fine mapping and complementation test confirmed that crm1-1is a new allele of BIG,which is required for normal auxin transport.Histochemical analysis and in situ hybridization revealed that CRM1/BIG is highly expressed in inflorescence meristem,floral metistem and vasculature in pedicels and internodes.The decreased levels of auxin-responsive DRS and increased levels of PIN-FORMED1(PIN1)were observed in crm1-1and wild type treated with auxin transport inhibitor.Furthermore,auxin transport inhibitor treatment also led to the elongation defects of pedicel cells,suggesting that the defect of CRM1/BIG-mediated auxin transport causes these changes.Expression analysis revealed that LEAFY(LFY)and CUP-SHAPED COTYLEDON2(CUC2) were increased in crm1-1mutant. These data strongly suggested the possibility that the cause of morphological change in crm1is not only due to the defect in auxin transport and requirement of examination of relationship between CRM1/BIGand these genes. Key words:Arabidopsis thaliana,auxin,CRM1/BIG gene,inflorescence development はじめ に 花 茎 に お ける花 芽 の配 列 の 規 則 性 と花 茎 全 体 を指 し て,花序 という.花,茎の二 つ の器 官 の分 化 や 成 長 の度 合 い は,時間 的,あるい は空 間 的 に厳 密 に制 御 され て お り,その違 い が,多様 な花 序 形 態 を生 み 出 していると 考 えられ る. 我 々 は一 貫 して分 子 生 物 学 上 の モデ ル 植 物 であるシ ロイヌナズ ナ(Arabidopsis thaliona(L .)Heynh.)を 用い て,花序 の形 づ くりの仕 組 み を調 べ てきた. まず 注 目 した の が,実 験 室 標 準 系 統 として 用 い られ て い るColumbia(Col)株 とLandsberg erecta(Ler)株 の花 序 形 態 の違 いで ある.Col株は,主 軸 が長 く伸 び,柄 の 付 い た 花 が 間 隔 を 空 け て 付 い て い る,総 状 花 序 と呼 ば れ る花 序 形 態 を示 す.一 方,Ler株 は ア ブ ラナ に 見 ら -39-

Transcript of シロイヌナズナ花序形態の制御 - Semantic Scholar...CRM1遺 伝子と,ERも...

Page 1: シロイヌナズナ花序形態の制御 - Semantic Scholar...CRM1遺 伝子と,ERも しくは,CRM2遺 伝子の遺伝子 間の相互作用を理解するために,crm1erやcrm1crm2

Plant Morphology19(1):39-44,2008.

シロイヌナズナ花序形態の制御

山 口暢俊1,米 田好文1

1東京大学大学院理学系研究科生物科学専攻 〒113 -0033東 京都文京 区本郷7-3-1

要 旨:シ ロイヌナズナの野生型Columbia株 は,顕 著な花茎の伸長 とともに花芽を付 けていくため,総 状花序と呼 ば

れる花序形態を示す.一 方,Landsberg erecta(Ler)株 は,花 序先端部 に花 芽が密集した散房花序と近似した花序

形態を示す.花 序形態形成機構 に関して新たな知見を得 るために,散 房花序様変異体であるcorymbosal(crm1)と

crm2変 異体を単離し,小 花柄 と節 間の細胞伸長欠損 により花序形態が変化するcrm1変 異体に注 目した .crm1変

異 はerやcrm2変 異と相加 的な関係 であったため,CRM1遺 伝子 はERやCRM2遺 伝子はそれぞれ独立の経 路で

機能する可能性 が示唆された.ポ ジショナルクローニングにより,crm1変 異体 の原因遺伝子 はオーキシンの極性 輸

送 に必要であるBIG遺 伝 子であり,花 序分裂組 織,花 芽分裂組織,小 花柄 と節 間の維管束で発現していることがわ

かった.crm1-1変 異体とオーキシン輸送阻害剤 で処理した花序では,オ ーキシンの蓄積 によって発現が誘 導される

マーカー,DR5の 発現量の減少 とPIN1タ ンパク質 の蓄積量の増加が観 察された.さらにオーキシン輸送阻害剤 処理

によって小花柄の伸長 は抑制されたため,こ れらの変化 はCRM1/BIGタ ンパク質 が制御 するオーキシン輸送経路を

欠損 したために起こったと考 えられる.発 現解析 の結果,LEAFY(LFY)遺 伝子やCUP-SHAPED COTYLEDON2

(CUC2)遺 伝子の発 現量がcrm1-1変 異体では増加していた.そ のため,crm1変 異体での花序形態 の変化はオーキ

シンの輸送欠損のみが原 因ではない可能性 があり,これらの遺伝子の関与を検討 する必 要がある.

The regulation of inflorescence architecture in Arabidopsis.

Nobutoshi YAMAGUCHI1and Yoshibumi KOMEDA1'

1Department of Biological Sciences,Graduate School of Science,The University of Tokyo,7-3-1Hongo,Bunkyo-ku,Tokyo113-0033,JapanAuthor for correspondence:Yoshibumi KOMEDA,Department of Biological Sciences,Graduate School of Science,The University of Tokyo,7-3-1Hongo,Bunkyo-ku,Tokyo113-0033,Japan

Summary:The inflorescence architecture in Arabidopsis thaliana accession Columbia is a raceme with individual flowers developing acropetally.The accession Landsberg erecta(er)displays a corymb-like inflorescence.To understand the regulation of inflorescence architecture,we screened corymb-like inflorescence mutants,corymbosal(crm1)and crm2.We focused crm1mutant and found that reduction of cell elongation in crml pedicels and stem

internodes.crml is additive with er or crm2,suggesting CRM1,ER,and CRM2control inflorescence development independently.Fine mapping and complementation test confirmed that crm1-1is a new allele of BIG,which is required for normal auxin transport.Histochemical analysis and in situ hybridization revealed that CRM1/BIG is highly expressed in inflorescence meristem,floral metistem and vasculature in pedicels and internodes.The decreased levels of auxin-responsive DRS and increased levels of PIN-FORMED1(PIN1)were observed in crm1-1and wild type treated with auxin transport inhibitor.Furthermore,auxin transport inhibitor treatment also led to the elongation defects of pedicel cells,suggesting that the defect of CRM1/BIG-mediated auxin transport causes these changes.Expression analysis revealed that LEAFY(LFY)and CUP-SHAPED COTYLEDON2(CUC2) were increased in crm1-1mutant.These data strongly suggested the possibility that the cause of morphological change in crm1is not only due to the defect in auxin transport and requirement of examination of relationship between CRM1/BIG and these genes.

Key words:Arabidopsis thaliana,auxin,CRM1/BIG gene,inflorescence development

はじめに

花茎における花芽の配列の規則性と花茎全体を指し

て,花 序という.花,茎 の二つの器官の分化や成長の度

合いは,時 間的,あ るいは空間的に厳密に制御されて

おり,その違いが,多 様な花序形態を生み出していると

考えられる.

我々は一貫して分子生物学上のモデル植物であるシ

ロイヌナズナ(Arabidopsis thaliona(L .)Heynh.)を 用い

て,花 序の形づくりの仕組 みを調べてきた.

まず 注 目したのが,実 験室標 準系統として用 いられて

いるColumbia(Col)株 とLandsberg erecta(Ler)株 の花

序形態 の違いである.Col株 は,主 軸が長く伸び,柄 の

付 いた花が間隔を空けて付 いている,総 状花序 と呼ば

れる花序形 態を示 す.一 方,Ler株 はアブラナに見ら

-39-

Page 2: シロイヌナズナ花序形態の制御 - Semantic Scholar...CRM1遺 伝子と,ERも しくは,CRM2遺 伝子の遺伝子 間の相互作用を理解するために,crm1erやcrm1crm2

れるように花序先端部 に花 芽が密集 し,散 房花序様 に

なる系統である.この表現型 を示すのはer変 異によるこ

とを明らかにした(Torii et al.1996).er変 異 による花序

形 態の変化 の原 因 は,小 花柄 と節 間の細 胞の数の減

少 による伸長欠損であった.ER遺 伝子 は細胞内キナー

ゼ ドメイン,膜 貫通領域,そ して,ロ イシンリッチリピー ト

か らなる細胞 外ドメインの三つの領域からなる,受 容体

型 キナーゼをコードしており,花 序分裂組織で強く発現

していた(Torii et al.1996,Yokoyama et al.1998).

次 に,我 々はer変 異体と同様 に,花 序形態 が散房花

序様 に変化した変異体を単離し,散 房 花序corymbの

意 味 をもつcorymbosal(crm1),crm2変 異 体 とした

(Komeda et al.1998).crm2変 異体は花芽の発 達と花

茎伸長開始遅延 による茎頂部での花芽の蓄積 により花

序形 態が変化しており,欠損原 因はer変 異体とは異な

っていた.CRM2遺 伝子 は器 官の分化と成長のタイミン

グを制御する遺伝子であると考え,先 に原因遺伝 子の

単 離 を試 み た.ポ ジショナ ル クロー ニ ングの 結 果,

CRM2遺 伝子は正常なmiRNAの 代謝 に必要であり,

Dicerと ともに機能するmiRNAメ チルトランスフェラーゼ

であった(Suzuki et al.2002,Park et al.2002).

最 近,我 々はまだ詳細な表現型の解析 と遺伝 子の単

離を行っていなかったcrm1変 異体 についての報告をし

た(Yamaguchi et al.2007).は じめに,crm1変 異体の花

序形態の変化の原因と,既 知 の変異体であるer,crm2

変異体との関係を調 べた.次 にCRM1遺 伝子 の単離と

遺伝子 の発現解析 を行った.最 後 に,今 までは未 知数

であった花序形態と植 物ホルモンや既知の花序形態形

成に関与する遺伝 子との密接な関係 が示唆 されたため,

それらの結果について紹介する.

結果

今 回,解 析に用いたcrm1変 異体は,速 中性 子線 で処

理したシロイヌナズナのM2種 子から単離した散房花序

様の変異体である(Komeda et al.1998).解 析 に先 立っ

て,少 なくとも三回の戻し交配を行った.小 花柄の表皮

細胞 の長 さの観 察 には,走 査 型電子 顕微鏡(SEM)を

用 い た.ま た ポ ジ シ ョナ ル クロー ニ ン グ,reverse

transcription-polymerase chain reaction(RT-PCR),

β-glucuronidase(GUS)染 色,green fluorescent protein

(GFP)蛍 光 の観察 は既報 の通 りに行 なった(Yamaguchi

et al.2007).β-glucuronidase(GUS)染 色,green

fluorescent protein(GFP)蛍 光の観察 は既報の通 りに行

なった(Yamaguchi et al.2007).

crm1変 異体の花序形態の変化 の原 因を調 べるため

に,crm1変 異体の小花柄と節間の長さの測定を行った.

その結果,小 花柄 と節 間の伸 長欠損 によって花序形態

が変化していることがわかった.次 にその伸長欠損の原

因を調べるために,SEMを 用いて小花柄 の表皮細胞の

観察を行ったところ,crm1変 異体の小花柄の表皮細胞

は,野 生型の細胞 の約40%程 度の大きさにまで減少 し

ていることがわかった.細 胞 の伸長欠損 による花序形態

の変化は,erやcrm2変 異体の花序形態の変化の原 因

とは異なっており,CRM1遺 伝子は細胞伸長を促進 する

ことで花序 形態を制御す る可能性 が示唆 された(表1,

Yamaguchi et al.2007).

CRM1遺 伝子と,ERも しくは,CRM2遺 伝子の遺伝 子

間の相互作用を理解するために,crm1erやcrm1crm2

二重変異体,も しくはcrm1crm2er三 重変異体を作製

して,花 序形態の観察を行 った.crm1er二 重変異体は,

crm1変 異による細胞伸長欠損とer変 異 による細胞数の

欠損により,強調された散房花序様の表現型を示した.

特 に,花 序の発達 にお ける欠損が大きいアリル 同士の

組 み合わせ である,crm1-1er-105二 重変異体の小花

柄 の長 さは,野 生型 の5%程 度であったことから,小 花

柄 の伸長 におけるCRM1とER遺 伝子の機 能の重要さ

が伺える(Yamaguchi et al.2007).crm1crm2二 重変異

体では,crm1変 異 による細胞伸長欠損と,crm2変 異 に

よる花 序先端部での花芽の過剰な蓄積 とわずかな小花

柄の細胞伸長欠損 により,強 調 された散房 花序様の表

現型 を示した.crm1crm2二 重変異体の表現型は相加

的であったことから,CRM1とCRM2遺 伝子も互いに独

立の機能 を持っていると考 えられる(Yamaguchi et al.

2007).な お,我 々は以前 に,crm2er二 重変異体 の表

現型の解 析も行っており,CRM2、ER遺 伝 子はそれぞ

れ 異 なる経 路 で機 能 す ることを明 らか にして い る

(Suzuki et al.2002).

crm1crm2er三 重変異体 は,ど の組み合わせの二重

変異体よりも,さらに強調された散房花序様の花序形態

を示 した.花 茎 は約1cm伸 長した後に伸長 を停止 し,

腋芽は花茎 を伸長することなく,葉 と花 を形成した.ま た

低頻度 ではあったが,花 芽分 化誘導 を起こさず に,葉

柄がほとんど形成 されず,丸 いロゼット様 のみを形成し

続ける個体も存在した.以 上の結果から,花 序形態を制

-40-

Page 3: シロイヌナズナ花序形態の制御 - Semantic Scholar...CRM1遺 伝子と,ERも しくは,CRM2遺 伝子の遺伝子 間の相互作用を理解するために,crm1erやcrm1crm2

表1散 房花序様変異体の形態変化のまとめ.

WTcrm1-1ercrm2・-1

花 序 形 態 の

椛 柄の長さ 響購 糸欝 の 墾購

花の数 正常 正常 増加

御する経路は,CRM1遺 伝子が制御 する小花柄 の細胞

伸長の経 路,ER遺 伝子 が制御 する小花柄 の細胞分裂

の経 路,CRM2遺 伝子が制御する花芽分化の経 路の少

なくとも三つ の経路 が存 在し,ど れ か一つの経 路に欠

損があっただ けでも散房花序様の花序形態 に変化して

しまうのだろう.言 い換 えると,三 つ の経 路がすべて正

常 に機能す ることで,総 状花序 という花序形態 を作 り出

しているのである(表1.Yamaguchi et al.2007).

次にCRM1遺 伝子の機 能を知るために,crm1-1とLer

を掛け合わせたF2植 物から分離す るcrm1表 現型を示

す個 体を用いてマッピングを行った.そ の結果,CRM1

遺伝子 は第3染 色体の上腕部,CAPSマ ーカーのCA1

とGAPCの 間 に存在することがわかった.さ らに詳細な

マッピングをす ることで,最 終 的 にBACク ロー ンの

F28J7とF11A12の 間 に存 在 ことを明 らか に した

(Yamaguchi et al.2007).

この 領 域 に は 正 常 な オ ー キ シ ン の 輸 送 に 必 要 で あ る

BIG遺 伝 子 が あ る.こ の 遺 伝 子 の 機 能 欠 損 変 異 体 は,

様 々 な ス クリー ニ ング に よって 選 抜 され て い る.例 え ば,

transport inhibilor response3(tir3)変 異 体 は オ ー キシ ン

輸 送 阻 害 剤NPAで 処 理 を しても,根 の 伸 長 に 欠 損 が 出

に くい 変 異 体 として 単 離 され て い る(Ruegger et al.

1997).そ のtir3変 異 体 とcrm1変 異 体 の 表 現 型 は,互

い に よく似 て い た.そ の た め,crm1-1変 異 体 とBIG遺 伝

子 の ア リル の1つ で あるdark overexpression of CAB1-1

(doc1-1)変 異体を掛け合わせて,相 補性検 定を行った.

crm1-1変 異体 とdoc1-1変 異体を掛 け合わせたF1植 物

はすべて変異体型の表現型を示したことから,crm1変

異 体 はBIG遺 伝 子 のアリル であることが判 明した.

crm1-1変 異体におけるBIG遺 伝 子の配列を確認 したと

ころ,第4エ キソン中に2塩 基の欠損と4塩 基の重複が

あり,トランケートなタンパ ク質 が作られる可能性 が示唆

された(Yamaguchi et al.2007).CRM1/BIG遺 伝子は,

2つ のシステインリッチドメインとユビキチンリガーゼに存

在するようなジンクフィンガードメインを持つカロシン様タ

ンパク質をコードしている(図1).

CRM1/BIG遺 伝子 はほとんどすべての器 官で一様 に

発現していることが報告されている(Gil et al.2001).し

かしながら,空 間的な遺伝 子の発現パ ターンはわかっ

ていなかった.そ こではじめに,CRM1/BIG遺 伝子の上

流約1kbpを プロモー ター領域 とし,そ の後ろにGUS遺

伝子 を配 したコンストラクトを導 入した形質転 換植物 を

作成し,GUS遺 伝 子の発現パ ターンを観察 した.花 序

先端部ではGUSの 活性 は小花柄 と節間 の維管束で観

察 された(Yamaguchi et al.2007).次 に,CRM1/BIG

mRNAの 蓄積 をin situハ イブリダイゼーションで調べた.

栄養成 長期 では栄養 芽分裂 組織 と葉原基 で発 現して

いた.生 殖成長期 では花序分裂組織 と花芽 分裂組 織,

小花柄 と節 間の維 管束 で発 現していた(図1).そ のた

め,CRM1/BIG遺 伝子 は小花柄 と節間で機能 している

-41-

Page 4: シロイヌナズナ花序形態の制御 - Semantic Scholar...CRM1遺 伝子と,ERも しくは,CRM2遺 伝子の遺伝子 間の相互作用を理解するために,crm1erやcrm1crm2

ことを支持する結果となった.

A

`!θcム1

ATGTGA

l■ ■c「""-12kbp

蟻 ジll興ゴ「.瀬 醗 嘗㌧

《1》 ジ驚鑑1図1CRM1/BIG 遺 伝子の 構造の模式図 と発現解 析.(A)

CRM1/BIG遺 伝子の 模 式図.(B)in situハ イブ リダ イゼー

ションによるCRM1/BIG遺 伝子の 発現 解 析.CRM1/BIG遺 伝子は

花序 分 裂 組 織,花芽 分 裂組 織,およ び 小 花柄 と節 間の維 管

束で 発現 してい る.バ ー は200μm.(Yamaguchi et al.2007を改変

して引用)

オ ー キ シン は 花 序 や 側 成 器官の 発 達 を 含 む 多 くの 発

生段 階 で重 要 な 役 割 を 果 た して い る(Okada et al.1991.

Benkova et al.2002.Reinhardt et al.2003).tir3変 異 体

と,オ ー キ シ ン の 輸 送 や 応 答 に 欠 損 を持 つ 変 異 体 で あ

るpin-formedl(pin1)な どを用 い て二重 変 異 体 を 作 成 し

た 場 合,そ の 変 異 体 は 更な る 欠 損 を 示 す ことが わ か っ

て い る(Gil et al.2001).そ の た め,crm1/tir3変 異 体 は

オ ー キ シ ン に よっ て 調 節 され る 器 官 形 成 の 経 路 に 欠 損

を持 っ て い ると 考 え られ る.そ こで 我 々 は オ ー キ シ ン の

蓄 積 に よっ て 発 現 が 誘 導 され るマ ー カ ー,DR5の 花序

で の 発 現量 が,野 生 型 とcrm1変 異 体 とで 違 い が あ るか

を比較 す ることに した(Ulmasov et al.1997.Benkova et

al.2002).DR5::GUSを用 い た 場 合,野 生 型 で は そ の

発 現 は主 に 雄 蕊 で 観 察 され た.crm1変 異 体 背 景 で は,

GUSの 蓄 積 が 野 生 型 よりも少 な い な が らも観 察 され るも

の と,観 察 さ れ な い も の が あ る こ と が わ か っ た

(Yamaguchi ct al.2007).DR5rev::GFPを用 い た 場 合,

野 生 型 で は 花 序 分 裂 組 織 のL1層,花 芽 分 裂 組 織,小

花 柄 と節 問 の 維 管 束 で 観 察 され た(図2),crm1変 異 体

背 景 で は 、同 様 の 部 位 で 発 現 は 観 察 され た が,そ の シ

グナ ル は 明 らか に 減 少 して い た(図2,Yamaguchi et al.

2007).以上 の結 果により,crm1変 異体ではオーキシン

の蓄積,そ して/もしくはオーキシンに対する応答に欠損

があり,その機能を欠いたために,小 花柄と節問の 伸長

欠損 が引き起こされたと考えられる.

A∴ 〒》 緊B一1\ ひ 職

",

、 ∴ 駕鏑 〆,

C、 、D 穐

図2花 序 先 端部でDR5rev::GFPとPIN1-GFPのGFP蛍

光の 観 察.(A,B)野 生 型(A)とcrm1-1変 異 体(B)でのDR

5rev::GFPの 発現.野生型 と比較 して,crm1-1変 異体ではDR5の

発現の減少とPIN1-GFPの 蓄積の増加 が観察 され る.

バ ー は100μm .(Yamaguchi et al.2007を 改 変 して 引用)

オ ー キ シン 輸 送 担 体 で あ るPINタ ン パ ク質 ファ ミリー は,

側 生 器 官 へ の オ ー キ シ ンの 輸 送 を 行 い,濃 度 勾 配 を 作

る こ とで,器 官 成 長 を 促 進 す る こ とが わ か っ て い る

(Okada et al.1991.Galweiler et al.1998.Vemoux et al.

2000.Reinhardt et al.2003.Heisler et al.2005).

CRM1/BIG遺 伝 子 とPIN遺 伝 子 群 の 関 係 を調 べ るた め

に,RT-PCRを 用 い て 発 現 解 析 を 行 っ た.そ の 結 果,花

序 先 端 部 で 発 現 最 が 多 い ことが 報 告 され て い るPIN1と

PIN6遺 伝子 の 発 現量 がcrm1-1変 異 体 で は 増 加 して い

ることが わ か っ た(Paponov et al.2005.Yamaguchi et al.

2007).次 に 空 間的 なPIN1遺伝子の 発 現パ ター ンに違

い が あるか を確 認 す るた め に,in situハ イブ リダイゼ ー

シ ョンとpPIN1::GUSに よる解 析 を 行 っ た.野 生 型 で は

PIN1遺 伝子は,花序 分 裂 組 織 で は発 現 してお らず,花

芽 分 裂 組 織 の み で 発 現 す る.一方,crm1変 異 体 で は

PIN1遺 伝子 は 花 序 分 裂 組 織,花 芽 分 裂 組 織 の 両 方 で,

野 生 型 よりも 多 く発 現 して い た.そ の 後,花 芽 の 発 生 段

階 に 従 って,野 生 型 の 小 花 柄 で はPIN1遺 伝子 の 発 現

量 は 減 少 して いく.し か し,crm1変 異 体 で は 発 生 段 階

後 期 の 花 芽 を付 け た 小 花 柄 で もPIN1遺 伝子 は 多 く発

現 して い た.最 後 にPIN1タ ン パ ク質 の 蓄 積 を 確 認 す る

た め に,PIN1-GFPの 蛍 光 を 観 察 した.野 生 型 で の シ グ

ナ ル は,花 序 分 裂 組 織 のL1層,花 芽 分 裂 組 織,小 花

- 42-

Page 5: シロイヌナズナ花序形態の制御 - Semantic Scholar...CRM1遺 伝子と,ERも しくは,CRM2遺 伝子の遺伝子 間の相互作用を理解するために,crm1erやcrm1crm2

柄と節問の維 管束で観察される(図2).crm1変 異体背

景 においては,同 様 の領域で強いシグナルが観察され

た ほ か,発 現 部 位 は や や 広 が っ て い た(図2.

Yamaguchi et al.2007).こ れ らの結果から,CRM1/BIG

遺伝子はPIN1遺 伝子の発現 量を正 常に制御すること

で,花 序形態を制御すると考えられる.

crm1変 異体では,PIM1遺 伝子 の発現量が増加 して

いた.こ の変化がオーキシンの輸送能の低 下によるフィ

ードバックである可能性 を検討するために,NPAで 処理

した花序での,PIN1遺 伝子の発現 量の変化とマーカー

の挙動を観 察した.オ ーキシン輸送阻害剤,NPAで 処

理した野生型の花序からRNAを 抽 出して,RT-PCRを

行った場合,PIN1遺 伝 子の発現 量が増加する濃度が

あることがわかった(Yamaguchi et al.投 稿準備 中).こ

の濃度でpPIN1::GUSやPIN1-GFPの 花序を処理した

場合 にも,発 現 量の増加 し,発 現部位 が広 がっていた

(Yamaguchi et al.投 稿準備 中).

野 生型の花序 先端 部をNPAで 処理 したところ,NPA

の濃度にしたがった小 花柄の伸 長阻害が起こっていた.

そこでSEMを 用いて,細 胞 の様子 を観 察したところ,

crm1-1変異体の花序形態の変化 の原 因であった小 花

柄の細胞伸長欠損が起こっていることがわかった(図3).

これらの結果より,CRM1/BIG遺 伝 子の機能 を欠き,オ

ーキシンの輸送能 に欠損が出たために,PIN1タ ンパク

質の蓄積量と発現領域の変化,お よび小花柄の細胞伸

長欠損が起こると考えられる.

欄r衛 響秘 》,

翫ギ副1擁

鋸 継 一1.1…,謝図3NPAで 処 理 した 小 花 柄 の 表 皮 細 胞 の 観 察.(A)は

DMSOで 処 理 したコントロー ル の 小 花 柄 の,(B)は10μMの

NPAで 処 理 した小 花 柄 の 写 真 である.ス テ ー ジ13の 花 をもつ

小 花柄 を24時 間NPAで 処 理 した後 に,表 皮 細胞 をSEMで

観 察 した.NPAで 処 理 した場 合,小 花柄 の細 胞 伸 長 が抑 制 さ

れ ていることがわか る.バ ー は50μm.

さらに 我 々 は,発 現 領 域 の 異 な るマ ー カ ー 遺 伝 子 を選

択 し,RT-PCRに よ っ て 発 現 解 析 を 行 い,野 生 型 と

crm1-1変 異体の問で,そ れぞれ の領域 の活性 に違 い

があるかを検討した.crm1-1変 異体では花芽分裂組織

で強く発現するLEAFY(LFY)と 花芽分裂組織 間の境

界 領 域 で 発 現 す るCUP-SHAPED COTYLEDON2

(CUC2)遺 伝子の発現量が増加していた(図4.Weigel

et al.1992.Aida et al.1997).LFY遺 伝子の発現量の増

加 によって,節 間の伸長欠損が起こること,miRNAに よ

って分解されないCUC2遺 伝 子を過剰 に発現させた植

物 では適切な節 問伸 長を欠くことなどが報告されており,

crm1-1変 異体での花序形態の変化 はオーキシンによる

経 路のみの欠損ではない 可能性 がある(Peaucelle et al.

2007.Sliwinski et al.2007).

一 方,花 序 分 裂 組 織 で 発 現 す るSHOOTMERISTEMLSS

(STM)遺 伝子,花 芽分裂組織の向軸

側 で発現 するREVOLUTA(REV)遺 伝 子,背 軸側で発

現するFILAMENTOUS FLOWER(FIL)遺 伝 子の発現

量 には顕 著な差 が見られ なかった(図4.Long et al.

1996.Sawa et al1998.Chen et al.1999.Otsuga et al.

2001).そ のため,花 序分裂組織の分化や 維持,花 芽 の

極性 には顕著な欠損がないことが示唆 された.今 後 は

花序の形態に影響を与える可能性のあるLFYやCUC2

遺伝子とCRM1/BIG遺 伝 子との関係を明らかにしたい.

♂びがpw1=====

五Fγ 国■=】国cひc2■ ■冨■■3盟 国

REF====

1乃乙乙 ご F】【 ⊃【 三

EF1。====コ

図4花 序先端部を用いた遺伝子発現解析.花 序先端部から

抽出したRNAを 用いてRT-PCRを 行った.野 生型と比較して,

crm1-1変 異体ではPIN1遺 伝子の他,LFY遺 伝子やCUC

2遺伝子の発現量も増加していることがわかる.一方,散 房花序

様の花序形態を示すer-103変 異体ではこれらの遺伝子の発

現に違いは観察されない.

- 43-

Page 6: シロイヌナズナ花序形態の制御 - Semantic Scholar...CRM1遺 伝子と,ERも しくは,CRM2遺 伝子の遺伝子 間の相互作用を理解するために,crm1erやcrm1crm2

謝辞

DR5::GUS形 質転換植物 の種子をミズーリ-コロンビア

大のGuilfoyle,T.J.博 士 に分与していただいた.SEM

の使 用法を,東 京大の富 田綾子 さんと渡辺綾 子さんに

教えていただいた.マ ッピングとアレリズムテストに際し

ては,奈 良先端大 の 田坂 昌生博 士 と森 田(寺 尾)美 代

博士,神 戸大の深城 英弘博 士に甚大なご助力をいただ

いた.さ らに,深 城英弘博士には花序へのNPAの 投与

法を教えていただいた.ビ ブラトームと共焦 点微 分干渉

顕微鏡の使 用に際しては,東 京大の福 田裕穂博 士と澤

進一郎博 士に便 宜を図っていただき,そ の使 用法を東

京大の澤進 一郎博 士と木 下温子さんに教えていただい

た.こ こにお礼 申し上げたい.

引用文献

Aida,M.,Ishida,T.Fukaki,H.,Fujisawa,H.,and Tasaka,M.(1997)Genes involved in organ separation in Arabidopsis:

an analysis of the cup-shaped cotyledon mutant.The Plant Cell.9:841-857.

Benkova,E.,Michniewicz,M.,Sauer,M.,Teichmann,T.,Seifertova,D.,Jurgens,G.,and Friml,J.(2002)Local,efflux-dependent auxin gradients as a common module for

plant organ formation.Cell.115:591-602.Galweiler,L.,Guan,C.,Muller,A.,Wisman,E.,Mendgen,K.,

Yephremov,A.,and Palme,K.(1998)Regulation of polar auxin transport by AtPIN1 in Arabidopsis vascular tissue.

Science.282:2226-2230.Gil,P.,Dewey,E.,Friml,J.,Zhao,Y.,Snowden,K.C.,Putterill,

J.,Palme,K.,Estelle,M.,and Chory,J.(2001)BIG:a calossin-like protein required for polar auxin transport in Arabidopsis.Genes and Development.15:1985-1997.

Heisler,M.,Ohno,C.,Das,P.,Sieber,P.,Long,J.A.,Reddy,G V.,and Meyerowitz,E.M.(2005)Patterns of auxin transport and gene expression during primordium development revealed by live imaging of the Arabidopsis inflorescence meristem.Current Biology.15:1899-1911.

Komeda,Y.,Takahashi,T.,and Hanzawa,Y.(1998)Development of inflorescences in Arabidopsis thaliana.Journal of Plant Research.111:283-288.

Long,J.A.,Moan,E.I.,Medfond,J.I.,and Barton,M.K.

(1996)A member of the KNOTTED class of homeodomain

proteins encoded by the STM gene of Arabidopsis.Nature.

379:66-69.

Okada,K.,Ueda,J.,Komaki,M.,Bell,C.J.,and Shimura,Y.

(1991)Requirement of the auxin polar transport system in

early stages of Arabidopsis floral bud formation.The Plant

Cell.3:677-684.

Otsuga,D.,DeGuzman,B.,Prigge,M.J.,Drews,G.N.,and

Clark,S.E.(2001)REVOLUTA regulates meristem

initiation at lateral position.The Plant Journal.25:223-236.

Paponov,I.A.,Teale,W.I.,Trebar,M.,Blilou,I.,and Palme,K.

(2005)The PIN auxin efflux facilitators:evolutionary and

functional perspectives.Trend in Plant Science.10:

170-177.

Park,W.,Li,J.,Song,R.,Messing,J.,and Chen,X.(2002)CARPEL FACTORY,a Dicer homolog and HEN1,a novel

protein,act in microRNA metabolism in Arabidopsis thaliana.Current Biology.12:1484-1495.

Peaucelle,A.,Morin,H.,Trass,J.,and Laufs,P.(2007)Plants expressing a miR164-resistant CUC2gene reveal the importance of post-meristematic maintenance of phyllotaxy in Arabidopsis.Development.134:1045-1050.

Reinhardt,D.,Pesce,E.R.,Stieger,P.,Mandel,T.,Baltensperger,K.,Bennett,M,Trass,J.,Friml,J.,and Kuhlemeier,C.(2003)Regulation of phyllotaxis by polar auxin transport.Nature.426:255-260

Ruegger,M.,Dewey,E.,Hobbie,L.,Brown,D.,Bernasconi,P.,Turner,J.,Muday,G,and Estelle,M.(1997)Reduced

naphthylphthalamic acid binding in the tir3mutant of Arabidopsis is associated with a reduction in polar auxin transport and diverse morphological defects.The Plant Cell.9:745-757.

Sawa,S.,Watanabe,K.,Goto,K.,Kanaya,E.,Morita,E.H.and Okada,K.(1999)FILAMENTOUS FLOWER,a meristem and organ identity gene of Arabidopsis,encodes a

protein with a zinc finger and HMG-releted domains.Genes and Development.13:1079-1088.

Sliwinski,M.K.,Bosch,J.A.,Yoon,H.S.,Balthazar,M.and Baum,D.A.(2007)The role of two LEAFY paralogs from Idahoa scapigera(Brassicaceae)in the evolution of a derived plant architecture.The Plant Journal.51:211-219

Suzuki,M.,Takahashi,T.,and Komeda,Y.(2002)Formation of

corymb-like inflorescenes due to delay in bolting and flower

development in the corymbosa2mutant of Arabidopsis.

Plant Cell Physiology.43:298-306.

Torii,K.U.,Mitsukawa,N.,Oosumi,T.,Matsuura,Y.,

Yokoyama,R.,Whittier,R.F.,and Komeda,Y.(1996)The

Arabidopsis ERECTA gene encodes a putative receptor

protein kinase with extracellular leucine-rich repeats.The Plant Cell.9:735-746.

Ulmasov,T.,Murfett,J.,Hagen,G,and Guilfoyle,T.J.(1997)Aux/IAA proteins repress expression of receptor genes containing natural and highly active synthetic auxin response elements.The Plant Cell.9:1963-1971.

Vernoux,T.,Kronenberger,J.,Grandjean,O.,Laufs,P.,and Trass,J.(2000)PIN-FORMED1regulates cell fate at the

periphery of the shoot apical meristem.Development.127:5157-5165

Weigel,D.,Alvarez,J.,Smyth,D.R.,Yanofski,M.F.,and Meyerowitz,E.M.(1992)LEAFY controls floral meristem identity in Arabidopsis.Cell.69:843-859.

Yamaguchi,N.,Suzuki,M.,Fukaki,H.,Morita,M.,Tasaka,M., and Komeda,Y.(2007)CRM1/BIG-mediated auxin action regulates Arabidopsis inflorescence development.Plant Cell Physiology.48:1275-1290

Yokoyama,R.,Takahashi,T.,Kato,A.,Torii,K.U.,and Komeda,Y.(1998)The Arabidopsis ERECTA gene is

expressed in the shoot apical meristem and organ primordial.The Plant Journal.15:301-310.

- 44-