研究項目及び実施体制(◎は研究代表者)
- 極限環境藻類を用いた葉緑体増殖機構に関する基盤研究
(◎黒岩常祥 / 立教大学理学部) - 海洋藻類の原核型及び真核型葉緑体分裂遺伝子の探索と遺伝子導入による葉緑体増殖技術の開発と応用
(河野重行 / 東京大学大学院新領域創成科学研究科) - 陸上植物の葉緑体増殖制御技術の開発と遺伝子破壊による葉緑体分裂関連遺伝子の機能解析
(高野博嘉 / 熊本大学理学部) - 原始紅藻から陸上植物への進化と遺伝子導入技術を基盤とした葉緑体増殖機構の普遍性の解明
(東山哲也 / 東京大学大学院理学系研究科
研究の目的
光合成の現場である「葉緑体(色素体)」は細菌の共生により誕生し、増殖して機能を果たす。本研究の目的は、色素体の分裂機構を原始紅藻から高等植物までを視野に解明し、食糧生産向上と環境浄化に役立つ基盤成果を挙げることである。
研究の内容
色素体の分裂増殖には、原核生物由来及び宿主真核生物由来の遺伝子の関与が想定された。そこでftsZ遺伝子などの原核型遺伝子群の解析と、色素体分裂装置の単離とゲノム解読による真核型遺伝子群の解析を行い、分裂増殖機構の全容解明を目指した。材料は、極限環境に棲息する原始紅藻Cyanidioschyzon "シゾン"、海洋藻類(二次共生藻類を含む)そして陸上植物(コケ、シダ、被子植物)を用いた。方法として、比較ゲノム解析、色素体の分裂装置の大量単離、シゾンの3ゲノムの完全解読等の他、新たに開発した諸技術を利用した。
主要な成果
- ゲノム解析により85種の海洋藻類、陸上植物などに、原核型分裂遺伝子ftsZ遺伝子が共通に存在することを明らかにした。FtsZは分裂開始前に分裂予定域にリングを形成し、分裂面を決定する機能をもつことが分った。真核型分裂遺伝子由来と推定されるPD(内中外)リングの内、中PDリングは外PDリングの形成誘導に関与していた。外PDリングは外側に形成される5nmの繊維の束で、分裂の進行につれて幅と厚みを増し、分裂面を収縮する動力源であることが分った。プロテオーム解析から外PDリングの遺伝子は繊維性の75KDaタンパク質をコードしている可能性が高い。
- シゾンの3ゲノムの完全解読に成功し、解読したゲノム情報から真核型分裂遺伝子ダイナミンを発見した。遺伝子は1個で、その産物は外PDリングの内側にリングを形成し、娘色素体の最後の分断に関与した。 以上の結果から、色素体の分裂はダイナミックトリオ:FtsZリング、PD(内中外)リングそしてダイナミンリングが順次出現し、位置決定、収縮そして分断などの機能を発揮して遂行されることが明らかとなった。
見込まれる波及効果
色素体の分裂制御遺伝子の操作により、色素体数の増加を誘導でき、食糧増産に結びつく可能性が高い。一方、分裂装置形成を阻害すれば、赤潮、白潮を起こす海洋藻類の撲滅や、色素体やその分裂装置の存在が明らかになったマラリア(トキソプラズマを含む)原虫類の撲滅に役立と考えられる。
主な発表論文
- Matsuzaki M., et al. Genome sequence of the ultra-small unicellular red alga Cyanidioschyzon merolae 10D. Nature 428 : 653-657 (2004)
- Miyaghishima S., et al. A plant-specific dynamin-related protein froms a ring at the chloroplast division site. Plant Cell 15 :655-665 (2003)
- Nishida K., et al. Dynamic recruitment of dynamin for final mitochondrial severance in a red alga. Proc. Natl. Acad. Sci. USA100 : 2146-2151 (2003)
- Nishimura Y., et al. mt+ gamete specific nuclease that targets mt- chloroplasts during the sexual reproduction inChlamydomonas. Genes and Dev. 16 : 1116-1128 (2002)
- Higashiyama T., et al. Pollen tube attraction by the synergid cell. Science 293. 1480-1483 (2001)
- Miyagishima S., et al. Plastid division is driven by a complex mechanism that involves the bacterial and eukaryotic division rings. Plant Cell 13 : 2257-2268 (2001)
研究のイメージ
