研究紹介
作物生理学研究室で行っている、または過去行われた研究について、いくつかご紹介します。
ダイズの裂莢性
図1. ダイズの難裂莢性系統と易裂莢性系統
図2. PDH1のマッピング
莢の裂けやすさ（裂莢性）は種子の落下のしやすさ・分布を決定づける性質の一つです。ダイズにおいては、早期の
種子落下による減収を防ぐため、難裂莢性系統が選抜・育種されてきました。裂莢は種子・莢の乾燥に伴い生じますが、低湿度下においても難裂莢性系統の裂莢は易裂莢性系統のそれよりも著しく遅れます（図1）。
他機関と当研究室の共同研究により、裂莢性に高い効果を持つ遺伝子としてPDH1が見出されています（図2）。
PDH1はdirigent-likeタンパク質ファミリーの一つをコードし、細胞壁の性質を変化させると考えられていますが、その
機能については不明な点も多くあります。当研究室ではPDH1について詳細な解析を進めています。
[参考論文]
Funatsuki H ... and Fujino K. Molecular basis of a shattering resistance boosting global dissemination of soybean. Proc Natl Acad Sci U S A. 2014. 111: 17797-17802. DOI: 10.1073/pnas.1417282111. PMID: 25468966.
Funatsuki H ... and Fujino K. Mapping and use of QTLs controlling pod dehiscence in soybean. Breed Sci. 2012. 61: 554-558. DOI: 10.1270/jsbbs.61.554. PMID: 23136494.
ダッタンソバの苦味
図3. フツウソバ(左上)とダッタンソバ(左下、右)
図4. ダッタンソバ種子におけるルチノシデース遺伝子の発現部位
（左図赤色部分）とルチノシデースの免疫染色（右図輝点）
ダッタンソバはタデ科ソバ属の一年草であり、高い健康効果を持つルチンという物質を多く（フツウソバの50-100倍）含むことから、ソバの原料として利用されています（図3）。しかし、製麺過程で細胞が破砕されるとルチノシデースという酵素が細胞外に流出し、ルチンをケルセチンという苦味の強い物質に変換するため、従来のダッタンソバ品種を
用いたソバ麺は食味が悪いとされてきました。
近年、苦味の軽減された「満天きらり」というダッタンソバ品種が開発されました。当研究室では、従来品種と
「満天きらり」のルチノシデース遺伝子について詳細な比較解析を行っています（図4）。また、その成果を利用して、製麺過程での満天きらりの純度（他品種の混合率）を検定するためのDNAマーカーを開発しています。
[参考論文]
Suzuki T et al. Breeding of 'Manten-Kirari', a non-bitter and trace-rutinosidase variety of Tartary buckwheat (Fagopyrum tataricum Gaertn.). Breed Sci. 2014. 64: 344-350. DOI: 10.1270/jsbbs.64.344. PMID: 25914589.
アスパラガスの雌雄性
図5. アスファルトに生えるアスパラガス(左)と
アスパラガスの雌・雄花(右)
図6. 雌株(mm)、雄株(Mm)、超雄性株(MM)のゲノムを
鋳型として用いたPCRによるM座遺伝子の候補の検出
食用アスパラガスは、個体ごとに雌花を着けるもの（雌株）と雄花を着けるもの（雄株）に分かれるという性質（雌雄異株性）を持ちます。雌株は雄株よりも可食部の若茎の成育が不揃いであり、また雌株に着いた種子が落下・発芽するとその個体が雑草化して栽培管理上不都合が生じるため、農業生産には雄株が好んで用いられます。雄株には交配後代に
雄株のみを生じさせるものがあり、そのようなものを超雄性株と呼びます。超雄性株は栽培用種子の生産や育種に必須
です。
アスパラガスの雌花においては、雄蕊が分化後成育を停止し退化します。また雄花においては、雌蕊が分化後成育を
停止します。これが雌・雄花の形態の差異を生みます（図5）。当研究室では、この過程における細胞死の動態や、植物ホルモンの影響について解析を進めています。
アスパラガスの雌雄性はMと呼ばれる遺伝子座により支配されることが知られています。すなわち、遺伝子型mmの株が雌株、Mmの株が雄株、MMの株が超雄性株です。当研究室では、M座遺伝子の候補を単離し（図6）、その機能の解析も進めています。。
[参考論文]
Harkess A et al. Sex-biased gene expression in dioecious garden asparagus (Asparagus officinalis). New Phytol. 2015. 207: 883-892. DOI: 10.1111/nph.13389. PMID: 25817071.
Horiuch K, Adachi Y, Kasai N, Yamagishi M, Masuda K. Identification of homozygous male plants by quantitative analysis of a nucleotide sequence linked to the sex-determination locus in Asparagus officinalis L. Journal of the Japanese Society for Horticultural Science. 2011. 80: 308-313. Full text.
Asada Y, Kasai N, Adachi Y, Kanno A, Ito N, Yun PY, Masuda K. A vegetative line of asparagus (Asparagus officinalis) with a homeotic change in flower development is correlated with a functional deficiency in class-B MADS-box genes. Journal of Horticultural Science & Biotechnology. 2006. 81: 874-882. DOI: 10.1080/14620316.2006.11512153.
Jamsari A et al. BAC-derived diagnostic markers for sex determination in asparagus. Theor Appl Genet. 2004. 108: 1140-1146. DOI: 10.1007/s00122-003-1529-0. PMID: 15067401.
植物の核内膜構成タンパク質
図7. NMCP1(Protein 1)、NMCP2(Protein 2)、ラミンBの
二次構造予測(coiled-coil構造を取りうる領域を
色付きの四角形で示す)
図8. 蛍光免疫染色法によるNMCP1とNMCP2の検出(左)と
NMCP2-GFP融合タンパク質の細胞内局在(右)マッピング
莢動物細胞の核膜は、脂質二重膜、膜内在性タンパク質、核膜孔複合体、ラミナにより構成されています。ラミナは
脂質二重膜の核質側において網目状に配向する繊維状の構造体（中間径フィラメント）であり、ラミンというタンパク質が重合することにより形成されます。植物は、ラミンと似たアミノ酸配列を持つタンパク質は持ちませんが、核にラミナ様の構造体を持ち、これの構成因子としてNMCPというタンパク質が見出されています。NMCPはラミンと起源を異に
すると考えられますが、ラミンと似た高次構造を取ると予測されています（図7）。ラミナやラミナ様構造は核の形態や機能を維持するのに必要であり、ラミンやNMCPにおけるある種の変異は、深刻な疾患や成育障害を引き起こします。
他当研究室では、NMCPの可視化（図8）やNMCP結合タンパク質の探索を行っています。植物細胞の核の構成因子の
動態・機能には未だに不明な点が多くありますが、NMCPとその結合因子を詳細に解析することでそれらを明らかに
したいと考えています。
[参考論文]
Kimura Y, Fujino K, Ogawa K, Masuda K. Localization of Daucus carota NMCP1 to the nuclear periphery: the role of the N-terminal region and an NLS-linked sequence motif, RYNLRR, in the tail domain. Front Plant Sci. 2014. 5: 62. DOI: 10.3389/fpls.2014.00062. PMID: 24616728.
Ciska M, Masuda K, Moreno Díaz de la Espina S. Lamin-like analogues in plants: the characterization of NMCP1 in Allium cepa. J Exp Bot. 2013. 64(6): 1553-1564. DOI: 10.1093/jxb/ert020. PMID: 23378381.
Kimura Y, Kuroda C, Masuda K. Differential nuclear envelope assembly at the end of mitosis in suspension-cultured Apium graveolens cells. Chromosoma. 2010. 119: 195-204. DOI: 10.1007/s00412-009-0248-y. PMID: 19997923.
Masuda K et al. Peripheral framework of carrot cell nucleus contains a novel protein predicted to exhibit a long alpha-helical domain. Exp Cell Res. 1997. 232: 173-181. DOI: 10.1006/excr.1997.3531. PMID: 9141634.
Nomura K, Saito W, Ono K, Moriyama H, Takahashi S, Inoue M, Masuda K. Isolation and characterization of matrix associated region DNA fragments in rice (Oryza sativa L.). Plant Cell Physiol. 1997. 38(9): 1060-1068. PMID: 9360323. Full text.
Masuda K, Takahashi S, Nomura K, Arimoto M, Inoue M. Residual structure and constituent proteins of peripheral framework of the cell nucleus in somatic embryos from Daucus carota L. Planta. 1993. 191: 532-540. DOI: 10.1007/BF00195755.
機械的刺激の感知の分子機構
図9. 機械的刺激を受けた根の細胞におけるVIP1の
核移行(下段中央のドットが核に相当)
図10. 接触刺激を与えながら根を成育させた際の根の
波打ち(左)の程度は、VIP1-SRDX過剰発現体(VIP1-
SRDXox)において大きい(右)
莢植物は接触などの機械的な刺激を感知し、それに対して適応的な応答を行いますが、その分子機構には不明な点が
多くあります。これについて新たな知見を得るべく、当研究室ではVIP1というタンパク質に着目しています。VIP1は
シロイヌナズナの転写因子（他の遺伝子産物の量を調節するタンパク質）であり、機械的刺激を細胞が感受すると、VIP1の細胞内存在部位は一過的に細胞質から核へと変化します（図9）。遺伝子工学的な手法により、VIP1-SRDXoxと
いう変異型のVIP1を用いてVIP1の機能を撹乱すると、根の接触屈性（根端が物体に触れた際にそれを避けるように屈曲する性質）が増大し、根が大きく波打って成長します（図10）。これにはオーキシンという植物ホルモンが関わるということが示唆されています。
当研究室では、VIP1の細胞内存在部位の制御機構やVIP1の生理的な役割などについて更に解析を進めています。VIP1を足掛かりに、機械的刺激の感知に関わるタンパク質を更に多く同定していきたいと考えています。
[参考論文]
Tsugama D, Liu S, Takano T. VIP1 is very important/interesting protein 1 regulating touch responses of Arabidopsis. Plant Signal Behav. 2016. 11(6): e1187358. DOI: 10.1080/15592324.2016.1187358. PMID: 27171129.
Tsugama D, Liu S, Takano T. The bZIP protein VIP1 is involved in touch responses in Arabidopsis roots. Plant Physiol. 2016. 171(2): 1355-1365. DOI: 10.1104/pp.16.00256. PMID: 27208231.
Tsugama D, Liu S, Takano T. Analysis of functions of VIP1 and its close homologs in osmosensory responses of Arabidopsis thaliana. PLoS One. 2014. 9(8): e103930. DOI: 10.1371/journal.pone.0103930. PMID: 25093810.
Tsugama D, Liu S, Takano T. A bZIP protein, VIP1, is a regulator of osmosensory signaling in Arabidopsis. Plant Physiol. 2012. 159(1): 144-155. DOI: 10.1104/pp.112.197020. PMID: 22452852.
ランと菌根菌との相互作用
ラン科 レブンアツモリソウ
レブンアツモリソウの種子
レブンアツモリソウへの
発芽誘導能がある菌 (Tulasnella sp.)
レブンアツモリソウの皮層細胞に形成された菌糸の塊、ペロトン。
ペロトンを分解消化することでランが菌から養分を獲得するとされる。
（トリパンブルーで菌糸を染色）
ラン科植物は種子に胚乳や子葉組織がなく、種子は発芽に必要な貯蔵養分を持っていません。自然状態では、土壌や樹上にいる菌根菌が感染することでランの種子発芽が進行します。作物生理学研究室では、北海道礼文島の固有種であるレブンアツモリソウを材料に、レブンアツモリソウの無菌発芽法や菌根菌をつかった人工発芽法を確立させてきました。植物と菌根菌との関係はアーバスキュラー菌根や外生菌根などがよく研究されていますが、ラン菌根の研究例は少なく、特に、ランと菌との相互作用に関わるメカニズムはまだほとんど分かっていません。しばらく研究を中断していましたが、現在は、菌根形成に必要なレブンアツモリソウの遺伝子や菌根菌の発芽誘導能の違いに関わるメカニズムなどの研究を進めています。
[参考論文]
Shimura et al. Coat protein of partitiviruses isolated from mycorrhizal fungi functions as an RNA silencing suppressor in plants and fungi. Sci Rep 2022. 12: 7855.
Shimura et al. Characterization of mycorrhizal fungi isolated from the threatened Cypripedium macranthos in a northern island of Japan: two phylogenetically distinct fungi associated with the orchid. Mycorrhiza 2009. 19:525-534.
Shimura et al. An antifungal compound involved in the symbiotic germination of Cypripedium macranthos var. rebunense (Orchidaceae). Phytochemistry 2007. 68:1442-1447.
Nagatani et al. Acclimation and potting of micro-propagated seedlings of Cypripedium macranthos var. rebunense obtained from aseptic culture and symbiotic germination, and maintenance of the potted plants. Mem Grad Sch Agri Hokkaido Univ 2006. 28: 121-131.
Shimura H, Koda Y. Enhanced symbiotic seed germination of Cypripedium macranthos var. rebunense following inoculation after cold treatment. Physiol Plant 2005. 123: 281-287.
Shimura H, Koda Y. Micropropagation of Cypripedium macranthos var. rebunense through protocorm-like bodies derived from mature seeds. Plant Cell Tiss Org Cult 2004. 78:273-276.
タマネギのフルクタン代謝に関わるメカニズム
タマネギで蓄積するフルクタン
赤色蛍光色素をつないだタマネギフルクタン分解酵素(AcpVI1)を発現しているタバコBY-2。
蛍光は液胞に局在している。
タマネギの食用部位である鱗茎には、フルクタンと呼ばれるショ糖（スクロース）に果糖（フルクトース）が重合した炭水化物が蓄積します。フルクタンは貯蔵エネルギーとしての役割だけでなく、耐病性や耐寒性などストレス耐性にも役割があるとされています。タマネギ鱗茎に含まれるフルクタン含量には大きな品種間差がありますが、どのようなメカニズムでこの品種間差が生じるかは分かっていません。当研究室では、酪農大、弘前大や農研機構とも協力して、フルクタン代謝に関わる分子メカニズムの研究を進めています。これまでタマネギでは、フルクタン合成に関わる酵素遺伝子は見つかってましたが、フルクタン分解に関わる酵素遺伝子は長い間発見されませんでした。我々はタマネギで初めてフルクタン分解酵素を同定し、この酵素が、他の植物で見つかっているフルクタン分解酵素とは異なり、液胞型インベルターゼと類縁性を示して実際に液胞に局在することを報告しました。フルクタン代謝に関わる遺伝子の学術的な知見は、タマネギの育種へ活かし、環境ストレスに強く作りやすいタマネギやヒトの健康に役立つフルクタンをたくさん含むタマネギなど、有用なタマネギ系統の育成に貢献することが期待されます。
[参考論文]
Oku S, Ueno K, Sawazaki Y, Maeda T, Jitsuyama Y, Suzuki T, Onodera S, Fujino K, Shimura H. Functional characterization and vacuole localization of fructan exohydrolase derived from onion (Allium cepa). J Exp Bot. 2022. 73: 4908-4922
Oku S, Ueno K, Tsuruta Y, Jitsuyama Y, Suzuki T, Onodera S, Maeda T, Shimura H. (2019) Sugar accumulation and activities of enzymes involved in fructan dynamics from seedling to bulb formation in onion (Allium cepa L.). Sci Hort 2019. 247:147-155.
スイカの単為結実メカニズムの研究
スイカ花粉
ユウガオ花粉
ニガウリ花粉
無受粉
受粉８日後のスイカ子房
ユウガオ花粉が受粉しても受精は起こらず、種なしとなる
種なしスイカを作るには三倍体スイカを利用する方法が知られていますが、コストが高く手間もかかる方法です。一方、スイカでは、ユウガオの花粉を受粉させると単為結実して種なしスイカができることが分かっています（Sugiyama et al. 2014 Sci Hort）。農作物の単為結実については、受粉を必要としない自動的単為結実の研究がトマトなどで進んでいますが、スイカでみられるような異属花粉の受粉刺激で起こる単為結実の例は珍しく、どのようなメカニズムが関わるのかも知られていません。園芸学研究室所属時から、農研機構との共同研究でこの研究に携わっており、現在は、次世代シークエンス解析を用いた単為結実に関わる遺伝子の網羅的探索を行っています。その結果、これまで結実への作用はあまり知られていないブラシノステロイドがスイカの単為結実に関わることが示唆され、通常の果実肥大と単為結実における植物ホルモンの関わりの違いなどを調べているところです。
[参考論文]
Sugiyama K, Shimura H, Kami D, Murata N, Yoshida M, Suzuka A, Nagaoka K, Jitsuyama Y, Suzuki T. Phylogenetic analyses and agronomical characteristics on parthenocarpy in different Cucurbitaceae genera using cross-pollination. Sci Hort 2021. 289:110210.
他、アスパラガスの遺伝子改変に利用するウイルスベクターの構築、ニンニクのウイルスフリー化、ジャガイモ塊茎の萌芽や休眠メカニズムの研究も行っています。以前は、花の分子育種として花色改変の研究も行っており、植物から微生物、ウイルスまでを扱った研究を行っています。