学会賞受賞者ミニレビュー
種子形成に必要な新組織「篩管末端最終形態構造」の発見
2026 年 38 巻 1 号 p. 47-52
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2026 年 38 巻 1 号 p. 47-52
被子植物の種子形成において、受精と栄養供給を結びつける機構は長らく不明であった。本研究では、受精後の胚珠カラザ領域に新たな構造体「篩管末端の最終形態構造」を発見した。アニリンブルー染色により、受精に失敗した胚珠ではカロースが環状に蓄積し、栄養流入を遮断することを見出した。ライブイメージングによって、中央細胞の受精がカロース分解を誘導し、篩管からの栄養流入を開放する「門」の役割を担うことを明らかにした。さらに、受精依存的に発現するβ-1,3-グルカナーゼ遺伝子AtBG_ppapを同定し、変異体でカロース分解と栄養流入が阻害されることを示した。一方、AtBG_ppapの過剰発現により種子サイズは約16%肥大し、イネでも保存された機構が確認された。これらの成果は、カスパリー線以来160年ぶりの新植物組織の発見であり、受精シグナルによる栄養制御という新原理を提示した。本総説では、篩管末端の最終形態構造の発見の経緯と、その発見がもたらす波及効果について概説する。
In flowering plants, the mechanism linking fertilization to nutrient supply has long remained unclear. Here, we report the discovery of a novel structure in the chalazal region of the ovule, termed “the final form of the phloem end.” Using aniline blue staining, we found that unfertilized ovules accumulate callose in a ring-shaped pattern that blocks nutrient influx. Live imaging revealed that fertilization of the central cell triggers callose degradation, thereby opening the “gate” for nutrient flow from maternal tissues. Transcriptome analysis identified a fertilization-dependent β-1,3-glucanase gene, AtBG_ppap. Loss of AtBG_ppap impaired callose degradation and nutrient flow, whereas its overexpression enlarged seed size by approximately 16%. A conserved mechanism was also confirmed in rice. These findings represent the first discovery of a new plant tissue in 160 years since the Casparian strip and establish a new principle of fertilization-coupled nutrient regulation. This review summarizes the discovery and discusses its broad implications for understanding seed development.
種子、それは次世代の遺伝情報を内包した、被子植物の進化における革新である。種子構造に関する研究の歴史は、植物の顕微鏡観察の黎明期と同時期に始まった。1671年、イギリスのNehemiah Grewはマメ科植物の外種皮に極小の孔を発見し、この孔が幼根に通じていることを明らかにした。続く1675年には、後にマルピーギ管に名を残すMarcello Malpighiが種皮構造を詳細に記載した。二人の植物解剖学の祖から連綿と続く種子研究の系譜は、形態学・発生学・生理学の発展とともに深化し、種子が生命維持と種の繁栄を担う高度なシステムであることを明らかにしていった。さらに分子遺伝学の進歩とともに、シロイヌナズナやイネなどのモデル植物のゲノム解析が進み、種子形成は複雑なシグナル伝達経路の連動によって精緻に制御されていることも判明した。しかしその一方で、「受精」と「種子形成」を結びつける根源的なメカニズムは、ミッシングリンクとして長らく謎に包まれたままであった。
被子植物では、二つの精細胞が卵細胞および中央細胞とそれぞれ受精する「重複受精」が行われる。卵細胞は胚へ、中央細胞は胚乳へと発達し、種子が形成される。しかし、もし受精に失敗した場合、胚珠はどうなるだろうか。受精に成功した胚珠は肥大して種子へと成長する一方、受精に失敗した胚珠は退縮する。2005年、Stadlerらは受精後の発達中の種子で、母体からの栄養がカラザ領域を通過し、外珠皮のシンプラストを経由して送られるモデルを提唱した。さらに2015年、Müllerらは胚珠のカラザ領域に栄養輸送に重要な器官である篩管の末端が存在することを発見した。すなわち、種子発達には母体からの栄養流入が必要不可欠である。それにもかかわらず、受精と種子形成に関して、以下の根源的な問いは解かれていなかった。1) なぜ受精が胚珠への栄養供給に必要なのか。2) どのような受精を感知し栄養を受け取るのか。3) どうして発達中に種子が大きくなるのか。我々は篩管末端の最終形態構造を発見し、上記の問いに対する答えを導き出した。以下に我々の発見を詳述する。
本研究は、責任著者である笠原らが2016年に報告した花粉管依存的胚珠肥大（POEM: Pollen tube dependent Ovule Enlargement Morphology）現象の発見に端を発する（Kasahara et al., 2016）。まず、POEM現象について概説する。POEM現象はアニリンブルー染色という古典的ながらも強力な手法によって発見された。アニリンブルーはカロースに結合し、紫外線照射下で黄緑色の蛍光を発する（カロースは、グルコース残基がβ-1,3結合で直鎖状につながった多糖であり、細胞分裂、防御応答、細胞シグナル伝達、発生、生殖など、さまざまな生理過程において重要な役割を果たすことが知られている）。モデル植物シロイヌナズナにおいて、アニリンブルー染色を用いて花粉管の挙動を解析したところ、以下の3種類の胚珠が区別された：1) 花粉管を受け入れていない胚珠、2) 花粉管を受け入れ正常に受精を完了した胚珠、3) 花粉管を受け入れたものの受精に失敗した胚珠。興味深いことに、3)の胚珠は、受精に成功していないにもかかわらず、1)の胚珠よりも明らかに肥大していた。なぜ重複受精に失敗したにもかかわらず胚珠は肥大したのか？―その疑問を胸にアニリンブルー染色像を視ていたところ、花粉管が侵入する反対側、すなわちカラザ領域においても蛍光シグナルがあることに気がついた。これこそが本研究の出発点であった。そこで我々は受精に成功した胚珠と受精に失敗した胚珠を経時的に比較観察した。注目すべきは、カロース由来の蛍光シグナルは、機能的な配偶子融合因子を欠くgcs1変異体（Mori et al., 2006）のように受精が失敗した胚珠で特に強く検出された（図1A）。さらに詳細な観察により、このカロース蓄積が環状構造を成していることが判明した（図1B）。この結果と、先行研究によるカラザ領域での栄養流入モデルを統合的に考察したところ、受精に失敗した胚珠では、母体組織からの栄養流入を遮断するようにカロースが蓄積することが示唆された。加えて、単子葉植物であるイネのgcs1変異体（Honma et al., 2020）においても同様のカロースの蓄積が観察され、この現象が被子植物全体にわたって保存されている可能性が示唆された。
(A) 上段：WT（野生型）。 受粉後1日ではカロースの蓄積が観察されたが（矢尻）、受粉後2、3日目にはカロースが分解された。下段：gcs1変異体。 受粉後2、3日目にカロースをより蓄積した（矢尻）。 模式図中の水色の円はカロースの蓄積位置と程度を示す。 (B) 左：WT（野生型）。白い枠線は分解されたカロースの位置を示した。右：gcs1変異体。環状にカロースが蓄積していた。EC：卵細胞、CC：中央細胞、SPC：精細胞、PT：花粉管。Bar = 20 µm。図はLiu et al. (2025) より引用・改変した。
次に、カロース分解と栄養流入の関係を調べるために、我々は日本の伝統文化である「生花」から着想を得てライブイメージング系を開発した（Liu et al., 2025、Nakajima and Kasahara, 2025）。一輪挿しのシロイヌナズナに栄養トレーサーとしてCFDA溶液を吸水させ、胚珠内部の栄養の流れをリアルタイムに可視化する方法である。シロイヌナズナを剪定する長さや吸水条件を試行錯誤し、最も安定して観察可能な条件を確立した。さらに、子房壁を完全に取り除き、雌蕊基部に向かって真二つに裂く解剖技術も重要であった。裂き方を誤るとCFDAが漏出し、ライブイメージングが実施できなくなるため、熟練した解剖技術が要求された。この手法により、世界で初めて胚珠の中の栄養流入をリアルタイムに可視化することに成功した。野生型ではCFDA溶液がまずカラザ領域に集積し、そこから外珠皮を通って胚珠全体へと拡散していく様子が観察された（図2A、Liu et al., 2025原著論文中のVideo S6）。この流入経路は、2005年にStadlerらが提唱したモデルと一致していた。一方、gcs1変異体ではCFDAが珠柄までしか到達せず、胚珠本体への流入は認められなかった（図2B、Liu et al., 2025原著論文中のVideo S7）。これらの結果は、カロース蓄積が栄養流入を物理的に堰き止めていることを明確に示している。
(A) WT（野生型）の受精後の胚珠はCFDAを吸水後30分ですでにカラザ領域で蛍光が検出され（矢印）、時間の経過と共に胚珠全体に栄養が行き渡っていた（矢尻）。(B) gcs1変異体の胚珠はCFDA吸水から90分後にようやく胚柄上部まで到達したが、胚珠全体に栄養が行き渡ることはなかった。Bar = 50 µm。図はLiu et al. (2025) より引用・改変した。
ここで改めて、受精の前後でカラザ領域の篩管構造がどのように変化するかを解析した。MtSEO2::GFP-ERを篩管マーカーとして用い（Noll et al., 2009）、胚珠深部を二光子励起によって観察した。受粉0日では、Müllerら（2015）が報告したように、篩管はカラザ領域で二股状に存在していた（図3A）。しかし、受精に十分な日数である受粉2日後では、驚くべきことに篩管が環状構造を形成していることが明らかとなった（図3B）。真っ暗の顕微鏡室で、初めてこの構造を目にした瞬間、思わず声をあげたのを今も鮮明に覚えている。アニリンブルー染色によるカロース環状蓄積の結果と照らし合わせると、この環状篩管こそが、母体からの栄養流入を制御する「門」の実体であることが判明した。すなわち、我々が発見した篩管末端の最終形態構造は、受精状態に応じて開閉する「栄養ゲート」として機能する新しい植物組織であった。
(A) 篩管マーカーMtSEO2::GFP-ERは未受精胚珠において分岐した篩管を示した。(B) 受粉後2日でのMtSEO2::GFP-ERは環状構造を示した。Bar = 50 µm。図はLiu et al. (2025) より引用・改変した。
次に我々は、二つ目の核心的な問い「どのような受精を感知し栄養を受け取るのか？」に迫った。解析には、一つの鞘内で三種の胚珠（重複受精に成功、卵細胞のみ受精、中央細胞のみ受精）が同時に観察できるkokopelli変異体を用いた（Ron et al., 2010）。アニリンブルー染色によるカロース蓄積の可視化の結果、驚くべきことに卵細胞のみが受精した胚珠、すなわち中央細胞の受精が起こらなかった場合に限って、強いシグナルが検出された（図4）。これは、中央細胞の受精が篩管末端の最終形態構造におけるカロース分解を誘導することを示唆している。さらにCFDAを用いた栄養流入解析では、中央細胞のみが受精した胚珠でも、重複受精が成立した場合と同程度の栄養流入が観察された（図4）。これに対して、卵細胞のみが受精した胚珠では、ほとんど栄養の流入が認められなかった（図4）。これらの結果は、中央細胞の受精がシグナルを発し、「門」を開いて母体からの栄養供給を開始させるという決定的な証拠である。
これら一連の結果を整理すると、篩管末端の最終形態構造が2つの機能を担っていることを示している。1) 受精後にカロースを分解し、発達中の種子への栄養流入を可能にする、2) 受精が失敗した場合にはカロースを蓄積する。これは、1865年にドイツの植物学者Robert Casparyが根における栄養吸収の境界構造「カスパリー線」を記載して以来、実に160年ぶりに発見された新しい植物組織と結論づけた。
(A-C) 受粉後2日でのアニリンブルー染色によるカロース蓄積の可視化。(A) 重複受精、(B) 中央細胞との片側受精、(C) 卵細胞との片側受精。(D-O) 胚マーカー（WOX2p::H2B-GFP、WOX2p::LTI-tdTomato）および胚乳マーカー（AGL62::GFP）を用いたCFDA流入の観察。重複受精時と中央細胞片側受精時では、CFDAの流入が観察された（矢尻）。EC：卵細胞、CC：中央細胞、SPC：精細胞、PT：花粉管、DF：重複受精、CSF：中央細胞片側受精、ESF：卵細胞片側受精。Bar = 50 µm。図はLiu et al. (2025) より引用・改変した。
では、篩管末端の最終形態構造におけるカロース分解・蓄積は、どのような遺伝子によって制御されているのだろうか？その答えを探るため、我々はPOEM現象の研究過程で得られたトランスクリプトームデータを詳細に解析し、受精依存的に発現するカロース関連遺伝子の探索を行った。その結果、β-1,3-グルカナーゼ遺伝子AtBG_ppapが浮かび上がった（Levy et al., 2007）。これは、篩管末端の最終形態構造におけるカロース分解を担う最有力候補である。野生型ではカラザ領域におけるカロース蓄積が見られないことから、受精後にAtBG_ppapが発現し、カロース分解を誘導して母体からの栄養流入を解放していると考えられた。この仮説を検証するため、我々はCRISPR-Cas9法を用いてAtBG_ppap変異体を作製し、その機能を解析した。結果は明快であった。変異体ではカロース分解が著しく不完全であり、さらにCFDAを用いた解析により、胚珠内部への栄養流入が非常に限定的であることもわかった。したがって、AtBG_ppapが受精依存的なカロース分解と栄養流入の制御に中心的役割を果たす「門番」遺伝子であることを強く示唆している（図5）。
また興味深いことに、Atbg_ppap変異体が作る種子は、十分な栄養を得られないために野生型と比較して約8.4%小さな種子を形成することがわかった（図5）。対照的に、35SプロモーターによるAtBG_ppapの過剰発現系統では、種子サイズが野生型と比較して約16.5%増加するという顕著な結果が得られた（図5）。加えて、イネにおいてもPPAP遺伝子の過剰発現により、種子サイズが9%増加することが確認された。
受精という一回きりの生命イベントが、BG_ppapを介して栄養の「門」を開き、種子という次世代の生命を育むための栄養流入を制御しているのである。この遺伝子の発見は、受精シグナルと栄養流入制御の結節点を明らかにした画期的成果であり、植物生殖学にパラダイムをもたらすだろう。
(A) Atbg_ppap変異体では、カロースを完全に分解できず、栄養供給が不十分なため、野生型よりも約8%小さな種子を形成した。 (B)AtBG_ppap過剰発現体では、 カロースが常に分解されており、栄養供給がスムーズなため、野生型よりも約16%大きい種子を形成した。Bar = 500 µm。図はLiu et al. (2025) より引用・改変した。
本研究では、植物学の歴史において160年ぶりとなる新組織の発見に加え、種子サイズを制御する新規分子機構を明らかにした。この成果は、学術界のみならず社会にも強い反響をよび、朝日新聞をはじめとする数多くの新聞社、テレビ朝日の番組で広く紹介された。国外でも注目を集め、掲載誌Current Biologyのライバル誌であるScienceに紹介記事が掲載されるなど、国際的な話題を呼んだ。篩管末端の最終形態構造の発見は、今後の植物科学、とりわけ受精・種子形成研究に新たな地平を拓くものである考えられる。以下に篩管末端の最終形態構造の特徴をまとめ、考察する。
篩管末端の最終形態構造の機能は大きく二つに整理できる。第一の機能は、受精失敗時におけるカロースの環状蓄積である。花粉管が侵入していない胚珠や、受精に失敗した胚珠では、カロース蓄積が維持、もしくは増加し、胚珠発達はそれ以上進行しない。花粉管侵入の有無によるカロース蓄積量の差は、花粉管内容物の存在に起因する可能性がある。花粉管が侵入していない胚珠にはそもそも内容物が存在せず、受精失敗の兆候がない。一方、受精に失敗した胚珠では、花粉管内容物は存在するが、受精能を持たない精細胞が雌性配偶子近傍に留まり、胚・胚乳発生のシグナルが伝達されない。この違いが、受精失敗の感知メカニズムとしてカロース沈着量の差を生みだしていると考えられる。第二の機能は、受精成功時におけるカロース分解による栄養流入の開放である。特筆すべきは、このカロース分解が卵細胞の受精ではなく、中央細胞の受精によって誘導されるという点である。中央細胞は受精後に胚乳へと分化し、栄養貯蔵と供給の中核を担う。この事実は、胚乳発達が栄養流入の「門」を開く鍵であることを明確に示している。この考えを裏付ける結果として、胚乳自律発生変異体（Polycomb複合体変異体）の解析が挙げられる（Grossniklaus et al., 1998）。受精を経ずとも自律的な胚乳発達が生じるfis2変異体では（Luo et al., 1999）、カラザ領域のカロース蓄積が顕著に減少していた。また、先行研究におけるmedea変異体の解析では（Grossniklaus et al., 1998）、POEM現象を誘導すると、受精なしでも自律的胚乳形成の頻度が上昇することが報告されている（Kasahara et al., 2016）。これらの知見は、カロース分解が自律的胚乳発生に不可欠であること、さらに篩管末端の最終形態構造を介した栄養供給が、受精非依存的な種子形成においても重要な前提条件であることを示している。今後、POEM現象の誘導とAtBG_ppapの遺伝子操作を組み合わせることで、受精を伴わない栄養流入を介した、新しいアポミクシス（受精を伴わずに種子を形成する無性生殖）創出戦略が現実味を帯びてくるだろう。これはまさに「種子肥大育種の夜明け」を告げる発見である。
篩管末端の最終形態構造の発見は胚珠や種子に対する見方を大きく変えるだけではなく、胚珠にこれまで知られていなかった栄養流入制御という新たな生理的機能を提示した。これはまさに、教科書に新たな1ページを刻む大発見と言えるだろう。論文公開からわずか数ヶ月で被引用件数が12報を数え、種子形成研究・受精研究が加速度的に進むことが期待される。篩管末端の最終形態構造の実体が明らかとなり、多くの知見が得られた反面、次なる疑問も浮かび上がった。どのような分子が、どこで、どのようにカロース分解シグナルとして実働しているのか、この問いに答えることは、種子形成科学を分子レベルで再構築する新たな挑戦となるだろう。また、本研究ではシロイヌナズナおよびイネにおいて、篩管末端の最終形態構造が確認されたが、この構造が被子植物全体に普遍的なものかどうか、さらに環状構造の生物学的意義は何かという問いも残されている。例えば、胚乳をそもそも具備しないラン科植物にもこの構造が存在するのか？種子サイズの違いよってその形態や機能は変化するのか？こうした問いへの探求は、モデル植物の粋を超えて、植物進化の本質と生存戦略を解き明かす鍵となるに違いない。篩管末端の最終形態構造－それは、受精の瞬間に「門」を開き、生命を繋ぐ植物の新たな循環の要である。ここから、植物科学の新しい時代が始まる。
本総説は、令和7年度平瀬賞受賞に対する論文の著者を代表して執筆した。篩管末端の最終形態構造の発見、並びに制御分子のBG_ppapの同定は、多くの共同研究者の協力により行われた。Xiaoyan Liu氏、Parakash Babu Adhikari博士、Xiaoyan Wu氏、Shaowei Zhu氏、岡田健太郎博士、蔭西知子博士、黒谷賢一博士、石田喬博士、中村匡良博士、佐藤良勝博士、川勝弥一博士、Liyang Xie氏、Chen Huang氏、Jiale He氏、陽川憲博士、澤進一郎博士、東山哲也博士、Kent J. Bradford博士、野田口理孝博士に深く御礼申し上げる。また、本研究をご評価いただいた平瀬賞選考委員の皆様に深く感謝申し上げる。そして、自身初の学会発表であった学部4年生の時から現在に至るまで、研究の推進を後押ししてくださった日本植物形態学会のみなさまにも、この場を借りて感謝申し上げたい。
