研究領域の概要│プラスチド相転換ダイナミクス

葉緑体の獲得により光合成を行う能力を得た植物の祖先細胞は、葉緑体を様々な役割をもつ色素体（プラスチド）へと分化させることで、現在の植物にみられる複雑で多様な機能を獲得することに成功しました。色素体は植物の生命活動のあらゆる場面に関わっており、色素体の分化可塑性が植物独自の生活史を可能にしているのは間違いありませんが、色素体の多様な形態・機能と分化転換は、どのような分子制御によって成り立ち、植物細胞の機能と分化にどのように影響しているのかまだよく分かっていません。本研究領域では、色素体を中心にした視点から植物の生命現象を突き詰めることで、他の生物と共通した生命の基盤の上で、植物はどのように独自の機能を発揮し、独自の生命システムを作り上げているのかを明らかにすることを目的とします。

The ancestral plant cell gained the ability to perform photosynthesis by acquiring chloroplasts as plant-specific organelles. During the evolution from unicellular to multicellular forms, plants developed the ability to diversify chloroplasts into various types of plastids, each with specific roles based on the host cell types. Today, plastids are involved in nearly every aspect of plant life, contributing to the unique developmental processes and life cycles of plants. However, we still don’t fully understand how plants regulate plastid morphology and function, or how plastids, in turn, influence the functions and fate of plant cells. Our goal is to uncover the molecular mechanisms that link plastids and plant cells to establish the distinct life of plants.

プラスチド相転換を制御する因子の機能解析

植物細胞と色素体には高い分化協調性が見られ、葉肉細胞が幹細胞に脱分化するときには細胞内の葉緑体も原色素体に脱分化し、幹細胞が根や葉茎の細胞に再分化するときには、原色素体もそれぞれの細胞に特異的な形態に再分化します。このように植物細胞と色素体の分化状態は強くリンクしていますが、両者の分化可塑性を結びつける分子メカニズムの全容は未だに解明されていません。色素体で機能するタンパク質には核ゲノムにコードされているものと色素体ゲノムにコードされているものがあり、細胞と色素体の分化相転換が起こる際にはそれぞれのゲノムが連動したかたちで大きな変化を示すと考えられます。そこで、本研究では、核の分化調節因子のはたらきにより細胞の分化状態を変化させた際に、核ゲノムと色素体ゲノムのそれぞれでどのような変化が起き、それらがどのように連動性するのかを明らかにすることで、細胞と色素体の協調的な相転換を引き起こす分子機構の解明を目指します。

Functional analysis of the factors regulating plastid reprogramming
Plant cells and plastids are closely coordinated in their differentiation. When mesophyll cells dedifferentiate into stem cells, chloroplasts also dedifferentiate to proplastids, and during the redifferentiation of stem cells, proplastids redifferentiate into various types of plastids depending on the host cell type. However, the molecular mechanisms connecting the differentiation plasticity of both remain unclear. This study aims to explore how changes in nuclear and plastid genome activity occur during cell and plastid differentiation, and how these changes are regulated to coordinate the differentiation of both plant cells and plastids.

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脂質駆動によるチラコイド膜形成過程と
葉緑体分化機構の解明

植物には、葉緑体を形成する細胞としない細胞がありますが、細胞ごとに葉緑体を形成するかどうかはどのように決まるのでしょうか。葉緑体か否かは、光合成反応の場であるチラコイド膜があるかないか、と言い換えることができます。つまり、チラコイド膜の発達の有無が、葉緑体になるか否かの分岐点となるわけです。しかし、光合成電子伝達やATP合成といった必須の役割を担うにもかかわらず、葉緑体分化時にチラコイド膜が形成されていく過程は未だにほとんど分かっていません。チラコイド膜は脂質二重層を足場にタンパク質などが集まり複合体を作ることで出来上がります。そこで本研究では、チラコイド膜の土台をつくる膜脂質の役割に着目し、チラコイド膜の形成、特にその初期過程ががどのように起こり、それが植物細胞による葉緑体分化決定メカニズムとどのように関わるのかを明らかにしていきます。

Elucidation of lipid-mediated thylakoid biogenesis and chloroplast differentiation
Plants have cells that develop chloroplasts and others that do not. But how is the decision made for each cell to form a chloroplast? A defining feature of chloroplasts is the development of thylakoid membranes, where the light-dependent reactions of photosynthesis take place. However, the molecular mechanisms underlying thylakoid membrane biogenesis remain largely unknown. Thylakoid membranes are formed from lipid bilayers, within which photosynthetic protein–pigment complexes are assembled. In this study, we aim to uncover how lipids initiate the early steps of thylakoid membrane formation, a key determinant in chloroplast development in plant cells.

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イネ科植物の組織分化転換における
色素体の制御機構の解明

未分化な細胞塊であるカルスから植物体が再生する過程では、デンプン合成を担うアミロプラストから光合成を担う葉緑体への色素体相転換が細胞内で起こります。この色素体相転換は直接成立するのか、すべての色素体の前駆体である原色素体（プロプラスチド）へ一旦脱分化した後に細分化するのか、それとも1つの細胞に原色素体と分化した色素体が混在するのか、まったく分かっていません。本研究では、オオムギを材料に開発した組織培養技術を活用し、各色素体の分化状態に特異的な遺伝子発現とタンパク質発現のプロファイリングを行い、色素体の分化状態を規定する因子の特定を目指します。さらに、それらの因子を色素体の分化マーカーとして可視化することで色素体の分化過程をとらえることを可能にし、組織培養時の色素体分化メカニズムの解明と植物器官の人工培養技術（オルガノイド）への応用を目指します。

Investigation of the regulatory mechanism of plastid in the tissue differentiation of grass plants
During the regeneration of whole plants from undifferentiated callus tissue, a plastid-to-plastid transition occurs within cells—from starch-storing amyloplasts to photosynthetic chloroplasts. However, the precise mechanism of this plastid transition during regeneration remains unclear. In this study, we aim to elucidate the molecular basis that determines plastid differentiation states by using a barley tissue culture system. By establishing gene markers that define each plastid type, we seek to visualize and capture the reprogramming dynamics of plastids during tissue culture, ultimately contributing to the development of plant organoid technologies.

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色素体の崩壊とゾンビ化のメカニズム解明

植物細胞における物質生産の中心を担う色素体は、病原菌による略奪のターゲットである一方、高い反応性を武器に病原菌に抵抗する要でもあり、病原菌と植物との攻防の主戦場となります。うどんこ病菌の侵入を許した葉の表皮細胞では貯蔵デンプンを目当てに色素体は破壊されますが、侵入部位周辺の葉肉細胞においては葉緑体は強制的に維持され、いわばゾンビ化した状態で光合成産物の供給を強いられます。病原菌が、「色素体の崩壊」と「葉緑体のゾンビ化」という、相反することを隣接する表皮細胞と葉肉細胞間で行わせる仕組みや分子メカニズムは、まだまったく分かっていません。本研究では、細胞内で起きている病原菌と植物細胞との攻防の過程を詳細に調べることで、病原菌による色素体の崩壊・ゾンビ化の多細胞間制御メカニズムを明らかにし、その知見を植物の病害抵抗性の向上につなげることを目指します。

Elucidating the mechanisms of chloroplast collapse and zombification
Plastids, the central organelles for metabolic production in plant cells, are a major battlefield in the struggle between plants and pathogens. In the epidermal cells of leaves infected by powdery mildew fungi, the pathogen destroys plastids to exploit stored starch. In contrast, in the surrounding mesophyll cells, it maintains chloroplasts in a partially functional, "zombified" state to forcibly extract photosynthetic products—through mechanisms that remain unknown. In this study, we aim to uncover the intercellular regulatory mechanisms by which pathogens manipulate plastid states across multiple cell types, ultimately contributing to the development of enhanced disease resistance in plants.

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主な研究内容, Main Research Topics

プラスチド相転換を制御する因子の機能解析

脂質駆動によるチラコイド膜形成過程と 葉緑体分化機構の解明

イネ科植物の組織分化転換における 色素体の制御機構の解明

色素体の崩壊とゾンビ化のメカニズム解明

脂質駆動によるチラコイド膜形成過程と
葉緑体分化機構の解明

イネ科植物の組織分化転換における
色素体の制御機構の解明