10年以上前、植物遺伝学者は接ぎ木された植物を見て奇妙なことに気づきました。 2つの植物が一緒に成長した場所では、各植物の細胞は、他の植物からかなりの量のDNAを拾った兆候を示しました.それ自体は前例のないことではありませんでした。なぜなら、遺伝子の水平伝達はバクテリアだけでなく、動物、菌類、植物でも珍しいことではないからです。しかし、この場合、移入された DNA は葉緑体の完全なゲノム全体であるように見えました。植物細胞は、大量の DNA が侵入する明らかな方法を提供しない保護細胞壁の内側に自分自身を閉じ込めるため、これは難問を提起しました.
現在、ポツダムのマックス・プランク分子植物生理学研究所のラルフ・ボックの研究室の研究者は、この伝達をビデオで捉えることによって、ついに答えを発見しました。細胞壁は時々考えられていたよりも多孔性であるだけでなく、植物はオルガネラ全体が細胞壁を通って隣接する細胞に這うことができるメカニズムを発達させたようです.研究者は、Science Advances の 1 月 1 日号で発見を報告しました .
ウプサラにあるスウェーデン農業科学大学で接ぎ木を研究している植物生物学者のチャールズ・メルニク氏は、「真に目新しいのは、ある細胞から別の細胞へだけでなく、実際の物理的なオルガネラが動いていることを示したことです」と語った。 「オルガネラを交換しているのは 2 つの異なる植物です。」
壁の予期せぬ穴
農家は少なくとも古代ローマの時代から接ぎ木を使って果樹やブドウを栽培してきました。穂木 (植物の開花、結実部分) を確立された台木に接ぎ木すると、若い果樹やブドウの木がより早く実を結び、害虫や病気に対する抵抗力を向上させることができます。接ぎ木は自然界でも起こります。互いに接触する密接に関連した植物が最終的に融合するとき、または寄生植物が宿主との接続を形成するときです。移植部位で、植物は一種の瘢痕またはカルスを形成します。これは、傷を横切る維管束組織を介して水と栄養素の流れを再確立し、時には新しい芽を生じさせます.
約 10 年前、ボックと彼のチームは 2 種のタバコを接ぎ木し、カルスの両側から遺伝子を配列決定しました。彼らは、葉緑体の全ゲノムが台木と穂木の間で交換されていることを発見しました。 （ミトコンドリアと同様に、葉緑体やプラスチドと呼ばれる他の植物オルガネラは、古代の内部共生細菌の残骸であり、独自の遺伝物質を持っています。）実際、150 キロベースの葉緑体ゲノム全体が無傷で移されました。遺伝子。偶発的なハイブリダイゼーションまたはウイルス感染は、多くの水平転送を引き起こしますが、これを達成できませんでした.
ラトガース大学の植物科学者であるパル・マリガ氏は、移植片内の葉緑体とミトコンドリアの移動に関する遺伝的証拠を独自に発見したと述べた.植物細胞は硬い細胞壁で守られているため、「私の植物細胞のイメージは、檻の中に座っている細胞質であり、誰もどこにも行きません」とマリガは言いました.
伝達の遺伝的証拠は、本当のパズルを提起しました.細胞壁の唯一の既知の開口部は、隣接する植物細胞がタンパク質とRNA分子を交換できるようにする小さな原形質連絡、狭い橋(幅わずか約0.05ミクロン)でした.通常、直径約 5 ミクロンの葉緑体は、「大きすぎて移動できなかった」と Maliga 氏は述べた。 「奇跡的にもう一方の房に現れたようです」
この謎は、ボックが博士研究員のアレクサンダー・ヘルトルとチームを組むまで続いた。 Hertle は、カルスで何が起こっているのかを調べることにしました。移植片の薄片を電子顕微鏡で調べたところ、細胞には以前に見られたものよりも大きな開口部があることがわかりました。しかし、直径が最大 1.5 ミクロンのものでさえ、葉緑体には狭すぎるように思われました.
次に、カルス内の生きた細胞を観察しながら、Hertle は移動中の葉緑体の画像を捉えました。葉緑体の一部は、より原始的で運動性の高いプロトプラスチドに変化し、0.2 ミクロンまで小さくなりました。 Hertle が見ていると、プロトプラスチドは細胞膜の内側に沿って這い回り、細胞壁に新たに発見された穴の下に配置されました。次に、細胞膜のつぼみのような突起が隣接する細胞に膨らみ、オルガネラを送達しました。移植片の組織組織が再構築されると、色素体は葉緑体の正常なサイズに戻りました。
「つまり、色素体が通過できるようにする穴が細胞壁にあることは間違いありません」と Hertle 氏は述べています。植物の細胞壁は厚く、多かれ少なかれ永久的な障壁であるという定説は、「この研究で基本的に消えていきます」.
癒しの交換
葉緑体の変態はまだ十分に理解されていませんが、炭素欠乏と光合成の減少への反応のようです、と Hertle は説明しました。研究者がライトを消すと、より多くのプラスチドが脱分化し、オルガネラの移動頻度が 5 倍になることが観察されました。
移入されたプラスチドが新しい宿主細胞でどれだけうまく機能するかは、2 つの種がどれだけ密接に関連しているかによって決まる、と Maliga は言う。核 DNA との遺伝子のミスマッチが極端すぎると、オルガネラは機能しなくなり、最終的には失われます。しかし、彼らは近親者の細胞で繁栄する可能性があります.
Maliga は、プロトプラスチドが移植片の傷の治癒を助けるシグナル伝達分子を含んでいるか、生成している可能性があると考えています。細胞壁に形成される大きな開口部も、移植部位の傷に対する植物の緊急治癒反応の一部であるように思われますが、正常な植物の発育のある段階でも発生する可能性があるとマリガは言います.
オルガネラ全体の移動は、互いに近くで成長している異なる種のブナの木の塊からの葉緑体が、より広い間隔でブナの集合体からの葉緑体よりも遺伝的類似性があるという観察結果を説明するのに役立つ可能性がある、と Hertle は言う。葉緑体捕獲イベントは、研究者が植物の進化の歴史を再構築するときに一貫性のない結果を得ることがある理由も説明しています:核と葉緑体のゲノムは異なる血統を持っている可能性があります.
オルガネラ移動によるこの種の水平ゲノム転送が自然界でどのくらいの頻度で発生するかはまだ明らかではありません。おそらく植物は、損傷やその他の出来事に反応して、葉緑体を細胞間で定期的に移動させます。誰も知らない。ボック、マリガ、および他の研究者は、移植された組織の違いが何が起こっているかを明らかにしたという理由だけで、ゲノム転送を記録することができました.しかし、植物がオルガネラ移動のメカニズムを進化させた場合、比較的まれな自然接ぎ木イベントは、それらにとって 1 つの機会にすぎない可能性があります。
一般的であろうとなかろうと、この現象には進化的または生態学的な意味があるかもしれません。 Hertle は、移植片カルスのモザイク細胞が根、芽、花を生成し始めると、特に細胞壁が核ゲノムを受け入れるのに十分なほど大きく開く場合、新しい種または亜種を生み出す可能性があると指摘しています。 2014 年、Bock のチームはこの方法を使用して、交配からは生じ得ない核ゲノムとオルガネラ ゲノムの組み合わせを持つナス科の新種を作成しました。自然が植物間で細胞小器官を移す簡単な方法を提供するなら、バイオテクノロジーの研究者はそれを利用して、望ましい新しい作物種を作り出すことができます.
潜在的なアプリケーションは数多くありますが、Hertle にとって基本的な発見の喜びに勝るものはありません。 「顕微鏡科学の非常に興味深い点は、存在するとは考えもしなかったものが見えることです」と彼は言いました。
