名大、植物の核を非侵襲的に観察できる近赤外自家蛍光イメージング法を開発

名古屋大学(名大)は3月22日、植物の細胞核が近赤外波長域の自家蛍光を示すことを発見し、その蛍光が植物光受容体の色素タンパク質「フィトクロム」に由来することを見出したと発表した。

同成果は、名大トランスフォーマティブ生命分子研究所の中村匡良特任准教授、同・大学 高等研究院の吉成晃 YLC(Young Leaders Cultivation)特任助教、同・礒田玲華博士研究員、同・八木慎宜博士研究員、同・佐藤良勝特任准教授、同・ウォルフ フロマー客員教授らの国際共同研究チームによるもの。詳細は、植物生物学全般を扱う学術誌「The Plant Journal」に掲載された。

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  今回の研究の概要(出所:名大プレスリリースPDF)

細胞の核は、遺伝子発現、DNA複製、細胞分裂など、多くの生命現象において極めて重要な役割を担う重要な細胞小器官であり、これまで核の機能や構造を理解するため、蛍光色素による染色や、蛍光タンパク質を核局在タンパク質と融合させるなど、核の可視化技術が開発されてきた。核の観察では、DNAに結合する染色色素の「DAPI」や「Hoechst33342」などが広く使用されているが、これらの色素の多くは生きた植物細胞の中に入ることができず、生細胞での観察には使えなかったという。また、蛍光タンパク質を利用する方法は、形質転換などの遺伝子操作を必要とするため、遺伝子操作手法が確立されていない植物種では実用的ではなかったとする。

そこで登場してきたのが、近赤外光による「自家蛍光」(生体内の構造や物質が光を吸収した際に起こる光の自然放出現象)を利用した細胞核のイメージング技術。生物には自家蛍光があり、葉緑体などは励起光を当てるだけで蛍光を発するため、植物に蛍光タンパク質を導入するなどの改変なしに観察できることが知られている。

研究チームは今回、モデル植物として知られる「シロイヌナズナ」の根を近赤外光(およそ640nm以上)で励起したところ、細胞の中に丸い構造体がくっきりと観察できることを偶然発見したという。そこで、その構造体が何かを特定するため、核蛍光マーカーの「ヒストン H2B-mClover」と一緒に観察が行われた。すると、蛍光を発する場所が一致したことから、構造体が細胞核であることが見出されたとする。

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  近赤外光が照射されたシロイヌナズナの根における核の自家蛍光と核蛍光マーカー(H2B-mClover)による核の標識(出所:名大プレスリリースPDF)

そこで、次に実験植物のタマネギ、タバコ培養細胞を用いた実験が行われた結果、近赤外光照射により細胞核が観察できることが明らかになったという。さらに、ニンジン、キュウリ、コリアンダー、ルッコラなどの実験植物以外の植物の根でも、近赤外光による自家蛍光を利用した細胞核のイメージングができることも実証された。

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  植物体と近赤外光が照射された根の自家蛍光イメージ(出所:名大プレスリリースPDF)

しかし、ヒメツリガネゴケやほうれん草など、葉緑体や色素体などの自家蛍光を発する細胞小器官が多い細胞では、自家蛍光によって核とそれ以外の細胞小器官とを判別することが困難なこともわかってきた。そこで、蛍光寿命イメージングが試みられ、核とそれ以外の細胞小器の蛍光寿命の違いを検出することにより、両者を自家蛍光で区別することに成功したという。

酵母や動物細胞では、核の近赤外自家蛍光が観察されないことから、植物由来の分子やタンパク質がそれを起こしていることが推測されたとする。そこで、植物の光受容体フィトクロム(光発芽、花芽形成、避陰反応など多くの重要な整理機能を制御するタンパク質)が685nmの蛍光極大をもつことが広く知られていたため、この偶然の一致からフィトクロムが関与している可能性を探ることにしたという。

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  近赤外光照射によるほうれん草の根における自家蛍光象と蛍光寿命イメージングによる色分け(出所:名大プレスリリースPDF)

そして、シロイヌナズナのフィトクロム遺伝子「PHYA」と同「PHYB」を欠損している変異体を用い、近赤外光による自家蛍光が観察された。すると、同変異体では、野生型で検出される近赤外光照射による核の自家蛍光が消失していることが確認された。このことから、近赤外光により観察された核の自家蛍光は、核に局在する光受容体フィトクロムから発する蛍光であることが明らかにされたのである。

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  フィトクロム欠損変異体では、近赤外光照射による核自家蛍光は消失することが判明した(出所:名大プレスリリースPDF))

今回開発された近赤外自家蛍光イメージング法は、一般的な共焦点レーザー顕微鏡を用いて行うことができ、植物に遺伝子操作を加えることも、ダメージを与える心配もなく、非侵襲的に核の構造や動きの解析を可能にする。さらに、遺伝子操作技術が確立されていない植物種への同手法の応用により、植物核研究のさらなる発展が期待されるとした。

また今回の研究により、核の近赤外自家蛍光イメージングが幅広い植物種に適用可能であることが実証されたことから、形質転換が確立されていない種であっても、植物に広く保存されているフィトクロムタンパク質の動態を調査が可能であることが示されたとしている。