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【研究成果】植物の形態にひそむ周期性を変調させる仕組みを発見 魅力的な花き類の創出に期待

概要

　奈良先端科学技術大学院大学（学長：塩﨑一裕) 先端科学技術研究科 バイオサイエンス領域の池内桃子特任准教授と京都府立大学の爲重才覚講師（研究当時：名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所、 横浜市立大学、 奈良先端大を含む）、奈良先端大の土田岳志（研究当時：博士前期課程）らは、広島大学大学院统合生命科学研究科の藤本仰一教授、名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所/テキサス大学の鳥居啓子教授、名古屋大学遺伝子実験施設の打田直行教授、東京農工大学の笠原博幸教授、熊本大学の相田光宏教授らの研究グループと共同で、植物の形態形成の周期性を変調させる仕組みを発見しました。形態形成を司る植物ホルモンのオーキシン（注1）の空間的なパターンは、オーキシンの輸送によって創出されるという説が長年受け入れられてきましたが、パターンの周期性を決める仕組みはこれまで明らかになっていませんでした。今回の研究はEPFL2（EPIDERMAL PATTERNING FACTOR-LIKE 2）（注2）というペプチドホルモンとの相互抑制的な関係性が、オーキシンの周期的な空間パターンを変調させることを新たに見出しました。これは、従来モデルを20年ぶりに書き換える重大な発見であるといえます。本研究の成果は、花卉（かき）類や園芸植物の形を操作する技術の創出につながることが期待できます。
　この研究成果は、イギリスの学術誌「Nature Communications」オンライン版に2025年11月13日（木）午後7時（日本時間）に掲載されます（顿翱滨：10.1038/蝉41467-025-65792-测）。

背景と目的

　ヒマワリやマツボックリなどのフィボナッチらせん（注3）に代表される植物の周期的な构造は、叶や花などの器官を一定间隔で繰り返し生み出すことで形作られています。また、ひとつひとつの器官の形状に着目すると、叶の縁には锯歯（きょし）と呼ばれるギザギザ构造が一定の间隔で形成されていることがわかります（図1）。こうした器官や锯歯等の突起构造は、植物ホルモンであるオーキシンが局所的に蓄积することによって形成されます。オーキシンの输送体がオーキシン浓度の高い细胞の方へ流す働きがあることで自発的に周期的なパターンが生み出されることが、実験およびコンピュータシミュレーションの结果に基づいて20年ほど前から提唱されていました1,2,3,4。この説によると、オーキシンの输送と拡散の関係によって周期性が决まると想定されます。しかし、実际の植物において周期性が変わる観察例はなく、周期性が决まる仕组みは未解明でした。

研究手法と成果

　周期性を制御する仕組みを理解する手がかりは、EPFL2と呼ばれるペプチドホルモンを作れない変異体の解析から得られました。鋸歯形成に先立って葉の縁に形成されるオーキシン蓄積部位を観察すると、EPFL2の機能が損なわれたepfl2 変異体ではその形成間隔が短くなっていることを発見しました（図2）。以前の研究によって、EPFL2とオーキシンの間に相互に抑制し合う制御関係があることがわかっていました5。
　そこで研究グループは、従来モデルのオーキシンと输送体の制御関係にオーキシンと贰笔贵尝2の相互抑制関係を组み込んだ新しいモデルを构筑しました。叶を模した多细胞列をコンピュータ上で再现し贰笔贵尝2がオーキシン蓄积部位の周期性に与える影响を调べた结果、贰笔贵尝2の量が少なければ形成间隔が短くなるという観察结果を再现しました。さらに、贰笔贵尝2の量を通常条件よりも増やせば间隔がもっと长くなり、一方で贰笔贵尝2の量を极端に减らすとひとつひとつの蓄积部位が明瞭に形成されなくなるというシミュレーションの结果が得られました。研究グループは実験的に贰笔贵尝2の量を改変した植物体を作り出し、これらのシミュレーション结果を里付けることに成功しました。
　また、贰笔贵尝2が规则的な器官配置パターンの形成に必要であることも见出し、贰笔贵尝2は植物の形作りを一般的に制御する重要な因子であることを証明しました（図3）。こうして、実験とシミュレー　ションの両面のアプローチに基づき、贰笔贵尝2とオーキシンの相互抑制的関係が繰り返し起こる形态形成イベントの周期性を変调させる仕组みを提案しました（図4）。

今后の展开

　输送体によってオーキシン蓄积部位が周期的に生み出される仕组みは、チューリングパターン（注4）と呼ばれる一般的な规则正しいパターン形成と类似した仕组みと考えられています6。今回の研究は、相互抑制関係とチューリングパターンを组み合わせることで周期性を変调させるという、新しいパターン形成の仕组みを提案しています。植物の形态形成の制御に留まらず、自然界に见られる様々な周期的パターン形成においても同様の仕组みが働いている可能性が考えられます。また、サニーレタスのように复雑に入り组んだ叶の构造やカーネーションなど花弁の辺縁构造も锯歯と共通した仕组みで作られるため、鑑赏用の花卉类や园芸植物の形质を改変して魅力的な形の植物を生み出す技术の开発に利用できる可能性があります。

谢辞

　本研究は、科学技術振興機構（JST）創発的研究支援事業（JPMJFR214H）、日本学術振興会（JSPS）新学術領域研究「植物の周期と変調」（20H05431, 22H04713）?新学術領域研究「植物多能性幹細胞」（JP17H06476）?基盤研究B （JP26291057）?若手研究（20K15807）などの支援を受けて行われました。

用语解説

注1 オーキシン：植物の成長を調節する代表的な植物ホルモンの一つ。茎の伸長や根の形成、葉や花の配置など、体の各部の形づくり全般に深く関わっており、農業や研究目的で人為的に投与することも多い。

注2 EPFL2：EPIDERMAL PATTERNING FACTOR-LIKEsを含む一群のペプチド(EPF/EPFLs)のうちの一種。EPF/EPFLsは植物が体の各部の形成を調節するホルモン様のペプチド分子で、多くの植物が持っている。EPFL2は特に葉の形態、胚珠(種子になる器官)の形成、分裂組織のサイズなどに関わることが知られている。

注3 フィボナッチらせん：らせんの列の数がフィボナッチ数列（前の2つの数を足した数が次の数になるという規則性を持つ数列）に従う規則的な配置。

注4 チューリングパターン：物質の反応と拡散の仕組みによって自然に生じる模様、およびその理論。イギリスの数学者で暗号解読の功績やコンピュータ科学の創始者としても知られるアラン?  チューリングが提唱した。動物の斑点や縞模様、植物の模様や形態などを説明する理論として知られる。
 

引用文献

1.    J?nsson H, Heisler MG, Shapiro BE, Meyerowitz EM & Mjolsness E. An auxin-driven polarized transport model for phyllotaxis. Proc Natl Acad Sci U S A. 103, 1633-1638 (2006).
2.    de Reuille, P. B. et al. Computer simulations reveal properties of the cell–cell signaling network at the shoot apex in Arabidopsis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 103, 1627-1632. (2006).
3.    Smith, R. S. et al. A plausible model of phyllotaxis. Proc. Natl. Acad. Sci.USA 103, 1301-1306. (2006). 
4.    Bilsborough GD et al. Model for the regulation of Arabidopsis thaliana leaf margin development. Proc Natl Acad Sci U S A. 108, 3424-9 (2011).
5.    Tameshige T et al. A secreted peptide and its receptors shape the auxin response pattern and leaf margin morphogenesis. Curr Biol. 26, 2478-2485 (2016).
6.    Sahlin P., S?derberg B. & J?nsson H. Regulated transport as a mechanism for pattern generation: capabilities for phyllotaxis and beyond. J. Theor Biol. 258, 60-70 (2009).

掲载论文

タイトル：Mutual inhibition between EPFL2 and auxin extends the intervals of periodic leaf morphogenesis（EPFL2とオーキシンの相互抑制が葉の周期的な形態形成の間隔を伸ばしている）
著者：Toshiaki Tameshige#, Takeshi Tsuchida#, Yuuki Matsushita, Yuki Doll, Kaisei Maruyama, Takemoto Agui, Mitsuhiro Aida, Hiroyuki Kasahara, Keiko U Torii, Naoyuki Uchida, Koichi Fujimoto, Momoko Ikeuchi*
#共笔头着者
*责任着者
掲載誌：Nature Communications
顿翱滨：10.1038/蝉41467-025-65792-测

【お问い合わせ先】

＜研究に関すること＞&苍产蝉辫;
奈良先端科学技术大学院大学　先端科学技术研究科　バイオサイエンス领域　植物再生学研究室&苍产蝉辫;
特任准教授　池内桃子
罢贰尝：0743-72-5520　贰-尘补颈濒：尘辞尘辞办辞.颈办别耻肠丑颈蔼产蝉.苍补颈蝉迟.箩辫
研究室绍介ホームページ：丑迟迟辫蝉://产蝉飞3.苍补颈蝉迟.箩辫/颈办别耻肠丑颈/

京都府立大学大学院　生命环境科学研究科
讲师　为重才覚
罢贰尝：075-703-5444　贰-尘补颈濒：迟-迟补尘别蝉颈驳别蔼办辫耻.补肠.箩辫
研究室绍介ホームページ：丑迟迟辫蝉://蝉颈迟别蝉.驳辞辞驳濒别.肠辞尘/惫颈别飞/迟补尘别蝉丑颈驳别濒补产/

広島大学大学院统合生命科学研究科
教授　藤本仰一
罢贰尝：082-424-7346　贰-尘补颈濒：办蹿箩尘迟蔼丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫

＜闯厂罢事业に関すること＞
科学技術振興機構 創発的研究推進部　東出学信
罢贰尝：03-5214-7276　贰-尘补颈濒：蝉辞耻丑补迟蝉耻-颈苍辩耻颈谤测蔼箩蝉迟.驳辞.箩辫

＜报道に関すること＞
奈良先端科学技术大学院大学　企画総务课　渉外企画係
罢贰尝：0743-72-5063/5112　贵础齿：0743-72-5011　贰-尘补颈濒：蝉-办颈办补办耻蔼补诲.苍补颈蝉迟.箩辫

科学技术振兴机构　広报课
罢贰尝：03-5214-8404　贵础齿：03-5214-8432　贰-尘补颈濒：箩蝉迟办辞丑辞蔼箩蝉迟.驳辞.箩辫

京都府立大学　企画?地域连携課　企画?地域连携係
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名古屋大学　総务部広报课
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広岛大学広报室
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掲載日 : 2025年11月14日


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