• 表皮細胞分化はCPL3を含むCPC遺伝子ファミリーにより制御される
• CPL3遺伝子は葉の生長や花芽形成に関与
• 作物の収量を向上する新技術の開発に貢献

1.

背　景

表皮細胞は、植物が外界に接する最前線です。動物のように自ら動けない植物は、環境に応じて形や大きさを変える必要があります。例えば、植物の根には、根毛が形成されます。根毛は、表皮細胞が外側に伸長した器官で、水分や栄養の吸収といった生命に重要な役割を果たします。また、葉、茎などの地上部の器官の表皮細胞には、害虫や紫外線から植物体を守っているトライコームが形成されます。 　研究チームは、これまでに、根毛の少ないシロイヌナズナの原因遺伝子として、MYB※5ファミリーに属するCPC遺伝子を発見しました（Wada et al., 1997, Science 277, 1113-1116）。また、CPC遺伝子のホモログとしてTRY、ETC1、ETC2遺伝子が既に報告されています。TRY遺伝子突然変異体では、トライコームがクラスターを形成し、ETC1、ETC2突然変異体では、CPCやTRY突然変異体の表現型を強めることがわかっています。研究チームは、CPC遺伝子とのDNA配列の類似性から独自に発見したCPL3（CAPRICE LIKE MYB 3）遺伝子を中心に、この遺伝子ファミリーの解析を進めてきました。

2.	研究手法と成果
	（１）	CPCホモログ多重変異体の作出
		CPC突然変異体は、根毛が少なくなり、TRY突然変異体はトライコームがクラスターを形成しますが（図1）、ETC1、ETC2、CPL3遺伝子の単独の突然変異体は、根毛やトライコーム形成に顕著な表現型は示しません。そこで、これらホモログ遺伝子の多重変異体を作出しました。その結果、それぞれが根毛形成を促進しトライコーム形成を抑制するという同じような機能を持つことがわかりました。さらに、CPL3、 CPC、TRY、ETC1の4重変異体を作出したところ、葉や胚軸の表皮細胞がほぼすべてトライコームに変換されたことから、このCPC遺伝子ファミリーが協調して、シロイヌナズナの表皮細胞分化を制御していることが明らかになりました（図2）。
	（２）	CPL3突然変異体と過剰発現体の花芽形成を比較
		研究チームは、CPL3突然変異体の特異な形質として、野生型よりも早咲きになることを見出しました。そこで、CPL3遺伝子を過剰に発現させた形質転換体を作出したところ、突然変異体とは逆に、野生型よりもやや遅咲きになることがわかりました（花芽形成までの日数：野生型が約37日、CPL3突然変異体が約29日、CPL3過剰発現体が約41日）。さらに詳細に解析したところ、CPL3突然変異体では、花芽形成に関わる遺伝子のうちFTおよびSOC1遺伝子の発現が高くなっていることを明らかにしました。
	（３）	CPL3突然変異体と過剰発現体の大きさを比較
		研究チームは、他のホモログには見られないCPL3突然変異体に特異な表現型として、葉が大きくなることも明らかにしました（図3）。CPL3突然変異体では、葉の細胞の1つ1つが大きくなっており、その原因がDNA量の増加をともなうものであることをDNAプロイディー※6解析により突き止めました。
	以上の結果から、CPL3遺伝子が、他のCPCホモログ遺伝子と同様に根毛形成を促進しトライコーム形成を阻害する機能を保持していることがわかりました。CPL3、CPC、TRY、ETC1の4つの遺伝子機能を同時に欠失させると、表皮細胞がほぼすべてトライコームに変換された異常な形態になることから、この遺伝子ファミリーがシロイヌナズナの形態形成において大変重要であることが明らかになりました。また、CPL3遺伝子が表皮細胞の分化を制御するとともに、DNAプロイディーレベルの抑制や花芽形成に関わる遺伝子（FTおよびSOC1遺伝子）の発現阻害により、葉の大きさや開花時期の調節にも関わることが明らかになりました。

3.	今後の期待
	表皮細胞分化により出現するトライコームには、アントシアニンなどの有用2次代謝産物が蓄積します。このため、葉、茎などにトライコームを過剰に出現させることができると、これらの物質の増収が期待できます。CPL3突然変異体の早咲きや大型化の特徴は、農業作物に応用することにより生産性の向上につながる可能性があります。本研究で示した植物体の大型化は、外来遺伝子導入によるものではないため、商業化に際しての問題を解決できると考えられます。

<補足説明>

※1	トライコーム
	突起状のものという意味で、葉、茎などの地上部の器官の表皮細胞より形成される。シロイヌナズナの場合は先端が3分枝している。害虫や紫外線から植物体を守っていると考えられる。
※2	ホモログ
	相同遺伝子。共通の祖先や共通の機構に基づく根源的な類似性を持つもの。ここでは塩基やアミノ酸の配列が似ている遺伝子のこと。
※3	遺伝子ファミリー
	DNA配列や機能性モチーフに相同性を持つ遺伝子のグループ。塩基配列の解析によりファミリーメンバーであることが確認できる。ここではホモログとほぼ同じ意味。
※4	オーソログ
	異なる生物種に存在する相同遺伝子（ホモログ）のことを特にオーソログという。 例：イネのOs01g43180遺伝子は、CPL3のオーソログである。
※5	MYB
	MYB遺伝子はがん遺伝子の1つであり、これと相同性を持つ転写因子をMybファミリーと呼ぶ。通常Mybドメインを介してDNAに結合する。
※6	DNAプロイディー
	倍数性。細胞当たりの染色体組の数の指標。DNAプロイディーレベルの高い個体、つまり倍数体は植物全体が大きくなったり、環境に対する適応性が向上したりすることが知られている。

野生型		TRY 突然変異体
野生型		CPC 突然変異体
図１　シロイヌナズナのTRY突然変異体トライコームおよびCPC突然変異体の根の写真
TRY突然変異体では、野生型では単独で存在するトライコームがクラスターを形成しており、CPC突然変異体では野生型に比べて根毛数が著しく減少している。

野生型		4重変異体
図2　シロイヌナズナのCPL3、CPC、TRY、ETC1の4重変異体本葉の写真
CPL3、CPC、TRY、ETC1 4重変異体では、野生型に比べてトライコームの数が多くなり、葉の表面のほとんどの細胞がトライコームに変換される。

図3　CPL3突然変異体およびCPL3過剰発現体の写真

CPL3遺伝子の機能が失われると大きくなり、逆にCPL3遺伝子を過剰発現させると矮化した。