大学院生のティム・ケリハーとバージニア・ウォルボット教授は、スタンフォード大学のキャンパスの畑でトウモロコシの房を調べています。写真:L.A. シセロ
スタンフォード大学の科学者チームは、単純なアプローチを使用して、成長中の花の奥深くで酸素レベルが低いことが、植物の性細胞の形成を引き起こすのに必要なすべてであることを実証しました。この発見は、新しい植物育種技術につながる可能性があります。
とうもろこしの性生活は、長年にわたって多くのわいせつな注目を集めてきました.紀元前 5,000 年までに、アメリカ大陸の農業者は、植物を他家受粉させてより大きな植物または色付きの穀粒を生成することにより、最初のハイブリッド トウモロコシ品種をすでに生産していました。
今日、トウモロコシのハイブリッド種子生産は数十億ドル規模の産業であり、交雑育種は他のほとんどの種の生産の基本でもあります.しかし、アグリビジネスにおける植物の繁殖の中心的な役割にもかかわらず、研究者は基本的な質問に答えたことはありません:植物性細胞はどこから来るのでしょうか?
スタンフォード大学の生物学教授であるバージニア・ウォルボットと大学院生のティモシー・ケリハーによると、その答えは驚くほど単純です。一連の洗練された実験で、ウォルボットは「基本的にお金をかけずにできる実験を考える」ことに誇りを持っています。研究者たちは、成長中の花の奥深くにある低酸素レベルが、性細胞の形成を引き起こすのに必要なすべてであることを実証しました.
この発見は学術的な関心だけではありません。
「植物の繁殖を制御することは、現代の農業にとってかなり基本的なことです」とウォルボットは言いました。
誰が誰に受精させるかを制御する方法として、いまだに手作業で種トウモロコシのタッセルを取り除いているトウモロコシ産業では、性細胞の生産をオンまたはオフにする技術により、植物の交雑育種に対する制御が劇的に向上する可能性があります。
この研究論文は最近 Science 誌に掲載されました。
2 つの花が愛し合うとき
すべての顕花植物は、葯と呼ばれる構造内で花粉を生成します。葯は、トウモロコシでは、房として知られている雄花の独特の房から成長します。しかし、これらの葯は成熟する前に、植物の奥深くでクローバーの形に配置されます。これらのクローバーのような葉のそれぞれにある中央の細胞は、性細胞に変わり、最終的には花粉になります.
この発生の背後にあるメカニズムは、植物では知られていませんでした。動物では、周囲の細胞が生殖細胞系にシグナルを送り、単一の「創始細胞」から形成を開始します。 Walbot と Kelliher は、MAC1 と MSCA1 という 2 つの有望なシグナル伝達分子を特定したことで、この見解に傾いていました。タンパク質 MAC1 を欠いた植物は、生殖細胞を過剰に発達させました。 MSCA1 を欠いた植物には、まったくありませんでした。
明らかに、MAC1 は生殖細胞の周りの無性細胞の組織化に重要であり、MSCA1 は細胞が性細胞に発達するために必要でした。しかし、この 2 つの関係と、最初に彼らの表現につながったものは不明のままでした。
レドックスの役割
ほとんどの研究者は、動物の場合と同様に、性細胞は特定の役割を持つ細胞の特別なセットから発生していると想定していましたが、Walbot と Kelliher は、そうでないことを示唆する 2 つの手がかりを見つけました。
まず、性細胞の物理的な配置は、単一の「創始者」の存在を示していませんでした。実際、それは「細胞としてのあなたの立場が、あなたの両親が誰であるかよりも重要である」というシナリオを示唆しているとケリハーは言いました.
第二に、MSCA1 酵素が機能する方法は、酸素レベルがシグナル伝達プロセスで役割を果たしている可能性があることを示唆しています。
植物内部の環境は、酸素が豊富で酸化が促進される「酸化性」か、通常は活性酸素の不足によって酸化が防止され、反対の還元プロセスが促進される「還元性」のいずれかです。 MSCA1 はたまたま還元によってシグナルを送っていました。つまり、異なる酸素レベルが異なる発達効果を持つ可能性があるということです。
理論を検証するために、研究者はトウモロコシの未熟な葯組織の奥深くにプローブを挿入しました。彼らが発見したことは次のことを物語っていました:細胞が性細胞に変わり始めた正確な時期に、急速に成長する葯の代謝活動の副作用である可能性が高い、異常に低い酸素レベル.
コーンホース
低酸素のみが性細胞の発達に関与しているかどうかを確認するために、研究者はプラスチックホースを発達中の葯に通し、ガスの混合物をパイプで送りました.
高濃度の酸素は、性細胞の数を劇的に減少させました。不活性で還元環境を提供する高濃度の窒素ガスは、性細胞の形成を増加させました。
「それは非常に簡単な実験でした」とウォルボットは言いました。 「2 日で最初の結果が得られました。」
研究者は、酸素レベルが低いと、葯葉の外側の細胞 (通常は花粉を産生しない) が性細胞に発達する可能性さえあることを示しました.
全体として、ウォルボットは、成長中の葯の内部で自然に発生する酸素レベルの変動が最初に中心細胞を低酸素状態にすることを証拠が示唆していると説明した.「次に、最も低酸素状態の細胞がスイッチを入れる.
酸素レベルが特定の閾値を下回ると、MSCA1 は最終的に機能し始め、その標的を減らし、中心細胞を性細胞に変えます。その後、これらの細胞は MAC1 を放出し、外側の細胞が生殖細胞系列にならないようにします。
これは裏返しの分化パターンであり、動物の生殖細胞系とはまったく異なります。これが、発見に時間がかかった理由を説明している可能性があります。
「この植物は、独自の構造を利用して、この発生シグナルを生成します」と Kelliher 氏は述べています。 「そして、適切な場所にある限り、どの細胞も次世代を作成できます。特別に指定する必要はありません。ロマンチックなアイデアですね。」
とうもろこしの子供たちの研究
この植物の繁殖プロセス全体を注意深く監視することは、ハイブリッド種子業界にとって非常に重要です。畑には通常、交配する予定の 2 種類の種子トウモロコシが植えられます。植物が自分自身を受精させないようにするため、つまり品質の劣る植物になるため、1 つの種のすべての房を取り除く必要があります。
これは、専門のタッセル除去機を必要とする膨大な作業であり、見逃された植物をチェックする人が続きます.
「現在、彼らは毎年 100 万エーカーのトウモロコシで、1 エーカーあたり 20,000 本のトウモロコシの房を取り除いています」と Walbot 氏は述べています。 「それは何十億もの手作業で取り除かれた植物です。」
とうもろこしの無菌品種が開発されており、タッセルを除去する必要はありませんが、自己永続的なバージョンを完成させるのは難しいことが証明されています.低酸素滅菌法は、自動ハイブリダイゼーションをはるかに簡単にし、多数の品種に適用できる可能性があります.
「これらのアプリケーションは業界に任せます」と Walbot 氏は述べています。しかし、研究の影響は広範囲にわたる可能性があります。多くの研究グループが現在確認しようとしているように、調査結果がすべての顕花植物に当てはまると仮定すると、この発見は膨大な数の作物の受精制御の新しいレベルを開く可能性があります.
スタンフォード大学は現在、論文の調査結果の一部について特許を求めています。
画像:L.A. シセロ
