2025 年 1 月 9 日
ソークの新しい単一細胞分析は、植物の根の保護外層と炭素捕捉細胞の詳細を初めて明らかにした。
ソークの新しい単一細胞分析は、植物の根の保護外層と炭素捕捉細胞の詳細を初めて明らかにした。
ラホヤ—植物は地中に潜り、太陽に向かって伸びるが、最終的には芽を出した場所に留まり、気温、干ばつ、微生物感染などの環境の脅威にさらされる。危険が襲ったときに立ち上がって動くことができないことを補うために、多くの植物は、体や根の周りに「防御膜」と呼ばれる鎧を作るなど、生理機能を変化させて自分自身を守る方法を進化させてきた。 周皮しかし、組織の発達を研究する植物生物学者の多くは若い植物を研究しているため、その後の周皮の発達は比較的未研究のままです。
ソーク研究所の研究者らは、植物の周皮の単一細胞レベルでの包括的な遺伝子発現アトラスを初めて発表した。このアトラスは、周皮を構成するさまざまな種類の細胞と、それらの発達を制御する特定の遺伝子と生物学的プロセスに関する新しい情報を提供する。これには、大気中の余分な炭素を長期間捕捉して貯蔵するのに役立つ分子であるスベリンを豊富に含むフェレム細胞に関する重要な洞察が含まれる。科学者らは、気候変動による環境ストレスに直面している植物の保護周皮の成長を刺激するために、この情報を利用することができる。また、フェレム細胞の成長遺伝子を増強して、炭素捕捉・貯蔵能力を強化した植物を生み出すことも可能になる。これは、ソーク研究所の中心的な目標である。 植物のイニシアチブを活用する.
調査結果はに掲載されました 発達細胞 1月9、2025に。
「植物は大気中の炭素を捕らえて土壌に蓄えるという重要な役割を果たしている」と教授は言う。 ウルフギャングブッシュ、この研究の主任著者であり、Harnessing Plants Initiativeのディレクターであり、ソーク研究所の植物科学のヘス教授である。「植物の根の保護外層は周皮と呼ばれ、非常に耐久性のある形で炭素を貯蔵できる多くの細胞で構成されています。これらの根の細胞がどのように形成され成熟するかの詳細なマップを作成することで、このプロセスをよりよく理解し、植物がより多くの炭素を非常に耐久性のある形で保持するのを助けるためにこのプロセスを促進することができます。そうすることで、気候変動との戦いにも役立つ、より丈夫な根を持つより回復力のある植物を作り出すことができます。」
植物が最初に根を張るとき、植物は新しい根を長く伸ばすことに重点を置いた一次成長に専念します。成熟すると二次成長が始まり、既存の根を太くし、外皮の鎧を作ることに重点が移ります。この保護外皮にはフェレム細胞、フェロゲン細胞、フェロダーム細胞が含まれており、それぞれに異なる役割と遺伝子プロファイルがあり、これまでの研究では完全には説明されていませんでした。
研究チームが最も興味を持ったのは、これらのさまざまな周皮細胞のうち、スベリン含有量が高いフェレム細胞でした。スベリンは、科学者が植物を最適化して自然で持続可能な炭素隔離方法にする、ソークの植物利用イニシアチブの中心です。残念ながら、葉や茎に蓄えられた炭素はすぐに分解し、大気中に簡単に再放出されてしまいます。対照的に、植物の根にあるスベリンは、長期間にわたって土壌の奥深くに炭素を保持することができます。また、スベリンは植物の根腐れに対する耐性を高めることも示されており、炭素貯蔵に加えて保護目的も果たしていることを示しています。
これまでの周皮研究はバルク分析で構成されており、貴重な洞察を提供したにもかかわらず、細胞タイプの特異性を捉えることはできませんでした。これを修正するために、ソークチームは、各周皮細胞タイプの明確な遺伝子プロファイルを捉えることができる最新の単一細胞シーケンシング技術を適用しました。. 彼らはまた、各細胞型が根の中で発達するにつれて遺伝子発現がどのように変化するかを追跡した。 シロイヌナズナ—植物研究でよく使われるアブラナ科の花を咲かせる雑草.
「成熟した植物について、長期間にわたってこのレベルの詳細を収集することは、これまで達成されたことがありません」と、ブッシュ研究室の研究科学者で第一著者のシャーロット・ミラーは言う。「他の研究では、根全体を粉砕してまとめて研究しますが、単一細胞分析によって、周皮の各細胞タイプの遺伝的発達を理解することができました。これは、強靭で回復力があり、気候変動と戦う植物をはるかに正確かつ効率的に設計できることを意味します。」
研究者らが単一細胞の時間経過シーケンスを解析した結果、篩骨細胞の発達は、遺伝的に異なるが相互に関連する複数の段階に分けられることが明らかになった。この段階的な発達は、MYB67 などの重要な遺伝子によって特徴づけられており、研究チームは、この遺伝子が発達プロセスの調節に大きな役割を果たしていることを発見した。
研究チームは、細胞の発達のさまざまな時期における遺伝子プロファイルをつなぎ合わせることで、植物がより多くのフェレム細胞を作り、より多くのスベリンを含み、より耐久性のある炭素を捕獲するように促すために使用できる遺伝子または遺伝子セットを最終的に特定したいと考えています。
周皮アトラスは、フェレム細胞以外の細胞についても重要な知見をもたらしました。このデータは、フェロゲン細胞がフェレム細胞を生み出す仕組みなど、周皮発達の移行段階を明らかにするのに役立ちます。ミラー氏は、フェロゲン細胞の研究を続けることに特に意欲的で、植物の発達の非常に遅い段階で他の細胞タイプに分化する幹細胞のような能力は驚くべきものだと述べています。
ブッシュ氏は、スベリンを含む細胞が、新しい側根の成長によってできた穴を塞ぐ様子を見るのを楽しみにしています。これは、新しい根が植物の表皮を突き破る破壊的なプロセスです。これらの反応性の高いスベリンを豊富に含む細胞は、周皮の一部ではないかもしれませんが、周皮細胞の種類とスベリン含有量についてさらに知ることは、感染を避けながら根系が広範囲に分岐するこの根形成プロセスを将来的に理解するのに役立つかもしれません。
「私たちの研究は、植物科学を進歩させるだけでなく、より丈夫な作物の創出や植物の根による炭素隔離の強化への道を開き、農業と気候の両方の課題に対する解決策を提供します。これは、ソーク研究所の植物利用イニシアチブの主要目標です」とブッシュ氏は言う。
他の著者には、Sean Jarrell-Hurtado、Manisha Haag、Y. Sara Ye、Mathew Simenc、Paloma Alvarez-Maldonado、Sara Behnami、Ling Zhang、Joseph Swift、Ashot Papikian、Jingting Yu、Kelly Colt、Joseph Ecker、Todd Michael、およびSalkのJulie Lawが含まれます。
この研究は、ベゾス・アース・ファンド、ヘス・コーポレーション、TED Audacious Project の支援を受けて実施されました。
DOI: 10.1016 / j.devcel.2024.12.025
ジャーナル
発達細胞
作者
シャーロット・N・ミラー、ショーン・ジャレル=ハータド、マニシャ・V・ハーグ、Y・サラ・イェ、マシュー・シメンク、パロマ・アルバレス=マルドナド、サラ・ベナミ、リン・チャン、ジョセフ・スウィフト、アショット・パピキアン、ジンティン・ユー、ケリー・コルト、ジョセフ・R・エッカー、トッド・P・マイケル、ジュリー・A・ロー、ヴォルフガング・ブッシュ
通信局
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press@salk.edu
生命そのものの秘密を解き明かすことが、ソーク研究所の原動力です。 受賞歴のある世界クラスの科学者からなる当社のチームは、神経科学、がん研究、老化、免疫生物学、植物生物学、計算生物学などの分野で知識の限界を押し広げています。 最初の安全で効果的なポリオ ワクチンの開発者であるジョナス ソークによって設立されたこの研究所は、独立した非営利研究組織であり、建築上のランドマークでもあります。選択により小規模で、本質的に親密で、どんな困難にも恐れることはありません。