はじめに
多細胞生物である高等植物はさまざまな形の細胞から 構成されており，細胞の形には細胞や組織の機能が反映 されている場合も多い．たとえば，茎，胚軸，根などの 軸状組織は細長い円筒状の細胞が集合し，扁平な葉の表 皮はジグソーパズル状の複雑に入り組んだ細胞で大部分 が埋め尽くされている．葉表皮の細胞集団には，ガス交 換のために開閉する半月形の孔辺細胞や防御機能が想定 される枝状のトライコーム細胞が散在する．また，根に は効率的な養分吸収のために棒状の根毛が分化してい る．
植物細胞の最終的な形は，細胞分裂後の細胞（多くは 立方体に近い形をしている）がどの方向にどれだけ肥大
（伸長）するかによって決まり，この過程には細胞骨格 系，特に微小管細胞骨格による細胞壁形成制御が重要な 役割を果たす．微小管の形成を薬剤で阻害すると細胞は 極性を失って肥大する．また，細胞の形が異常になった 変異体の多くで，微小管そのもの，あるいは微小管を制 御する分子機構に変異が見られる(1)．
植物組織は発生・分化の段階で植物ホルモンや細胞間 コミュニケーションによる相互位置情報の伝達により細 胞の最終形や組織内での配置が決められる．また，遺伝 的に決定された細胞の形態や配置は環境要因（病原菌の 感染，光，重力，温度などの物理的刺激）によってある
程度可塑的に変化する．本稿では，特に表層微小管がか かわる植物細胞の形の制御様式について，シグナル伝達 に注目して解説する．
表層微小管細胞骨格はセルロース繊維の配置を決める 微小管は
α
,β
チューブリンヘテロ二量体から構成され る中空の生体ポリマーであり，真核生物で広く保存され ている．細胞周期の間期において，大部分の動物細胞で は核近辺に配置される中心体から細胞膜に向かって微小 管が放射状に伸びているが，中心体を欠く植物細胞では 微小管は細胞膜内側に張り付いた表層微小管（cortical microtubules）を形成する（図1A）．この間期植物細胞 に一般的に見られる表層微小管の主な（おそらく唯一で はないと思われる）機能は，細胞壁におけるセルロース 繊維（cellulose microfibril）の並び方を制御することに ある．細胞の機械的強度を保ついくつかの細胞壁多糖の中 で，結晶性セルロース繊維がその配置方向（配向）を通 じて細胞の伸長方向を決定している（図1B）．セルロー ス繊維はほとんどの伸長する細胞において伸長軸に対し て垂直方向に並んだばね様の構造をとり，細胞側面の肥 大を抑制することにより，縦方向の細胞伸長を促進す る．植物細胞壁中のセルロースは細胞膜に埋め込まれた セルロース合成酵素複合体（cellulose synthase com-
セミナー室
植物細胞壁の情報処理システム-2植物細胞壁：その形を決める仕組み
細胞の形を決定する微小管安定性制御機構
藤田智史，橋本 隆
奈良先端科学技術大学院大学バイオサイエンス研究科
plexes; CSCs）により合成される．CSCは3種のセル ロース合成酵素6分子を主成分とする構成単位が6単位 集合したロゼット超構造をとり，細胞内から供給された ショ糖をつなげてセルロースポリマーを細胞壁に吐き出 す．一つのセルロース合成酵素が1分子のセルロースを 合成する能力があるので，CSCロゼッタ構造は最大36 分子（実際はそれよりも少ない）のセルロースが同時に 合成され，すぐにセルロース分子同士が水素結合で多量 体の束（結晶性セルロース）を形成し，強固な微繊維と なる(2) （図1B）．
伸長する植物細胞では表層微小管はセルロース微繊維 と大部分同じ向きに並んでいることから，前者が後者の 配向を決めているという仮説が提唱されていた．2006 年に蛍光標識したセルロース合成酵素で可視化した CSCが束化した表層微小管（大部分は2本の微小管の束 と思われる）に沿って細胞膜中を移動すること，青色光 を植物体に照射して表層微小管の配向を変化させると，
CSCの進行方向も微小管の変化に伴って同様に変化す ることから，この仮説は強く支持された(3)．一方，植物 体の微小管を薬剤で消失させると，CSCはしばらくの 間，以前の進行方向に近い方向に進む．すなわち，CSC の推進力はセルロース繊維の合成によるもので，動きに くい結晶性セルロースに押し出される形で，CSCが微 小管に沿って動くことを示唆している．また，微小管が ない状態ではCSCの進行速度が低下したことから，微 小管との相互作用がCSCの進行速度を速めている．
古くから表層微小管とCSCを物理的に結びつけるリ ンカー分子が存在することが提唱されてきたが，近年，
この機能を担うタンパク質（Cellulose Synthase Inter- active 1; CSI1）が同定された．CSI1は最初にセルロー ス合成酵素と相互作用する分子として酵母2ハイブリッ ド法で同定されたが(4)，細胞伸長が異常な変異株の原因 遺伝子としても改めて報告されている(5, 6)．シロイヌナ ズナにはCSI1に相同性の高いCSI2とCSI3があるが，
CSI2はほとんど発現していない．これらのCSIタンパ ク質はアルマジロ反復配列（armadillo repeats）とC2 ドメインをもつ．CSI1とCSI3はCSCと植物細胞で共局 在し（したがって，表層微小管上に局在），CSI1には微 小管結合ドメインが同定されている(7, 8)．一方，CSI1と CSI3はお互いに部分的にしか共局在しない(8)． 変異 株では細胞伸長が部分的に阻害されている一方， 変 異株の表現型はほとんどないが， 二重変異株で は顕著な細胞の伸長阻害が見られた．また， 変異株 細胞では，CSCの微小管への局在が大幅に低下し，
では局在に変化が見られなかった．興味深いことに，
細胞ではCSCの速度が低下しており， はこの効 果を増大させた(8)．前述の薬剤による微小管消失実験結 果と同様に，CSCは微小管と相互作用することにより，
細胞膜中の移動速度（おそらくセルロース合成速度を反 映しているものと考えられる）を増大させていることが 示唆される．また，CSI3を プロモーターの下流で 発現させても， 変異株の表現型は相補されなかっ た．これらの実験結果は，CSI1が主なリンカー分子と して機能し，CSI3が補助的に働くという解釈だけでは 説明できないため，論文の筆者らはCSI1とCSI3には部 分的な機能分化があると主張している(8)．
局所的なオーキシンとGTPaseシグナルが細胞に 凹凸を作り出す
シロイヌナズナ葉の表皮細胞は「ジグソーパズル」状 の形をとる．平面的な凹凸のある細胞の形は，隣り合っ た細胞間でのシグナル応答の結果，微小管とアクチン繊 維細胞骨格の再編成が起こり構築される（図2）．
細胞の多様な形が作られる際には低分子量Gタンパク 質が重要な役割を果たしている．低分子量Gタンパク質 は活性型（GTP結合型）と不活性型（GDP結合型）を 行き来する分子であり，その活性はさまざまな段階で制 図1■表層微小管によるセルロース繊維の 配向制御
（A）間期植物細胞における微小管（表層微小 管）の配置．核は青色の楕円形で示す．G.
Westeneys: , 115, 1345（2002）より 改変．（B）細胞膜直下の束化した表層微小管 はリンカータンパク質（CSI1）によりセル ロース合成酵素複合体（CSC）と相互作用す る．CSCはセルロース繊維を合成しながら，
微小管に沿って移動する．結晶化したセル ロース繊維の配向と直角方向に細胞が伸長す る．
御されている．動物や真菌ではRac, Cdc42, Rhoのよう なRhoサブファミリーが細胞骨格の制御に重要である が，植物においてもRhoサブファミリーに含まれる ROP（Rho-of-plant）が働く(9)．葉表皮細胞に凹凸が形 成されるのは，凸部においてROP2の下流因子である RIC4によってアクチン繊維の重合が促進されて凸領域 の拡大が促進される一方，凹部においてはROP6によっ て微小管結合タンパク質であるRIC1が活性化され，微 小管が凹部間を橋渡しするように束化した構造を作る．
微小管により橋渡しされた2つの凹部は拡張が阻害され る(10)．
最近，細胞間隙に存在するオーキシンが細胞膜内側の ROPを 活 性 化 す る 仕 組 み が 明 ら か と な っ た．ABP1
（Auxin binding protein1）はER内および細胞膜近傍の 細胞壁スペースに存在するオーキシン結合タンパク質で あり(11)，オーキシンが結合したABP1は細胞膜局在受容 体様キナーゼTMK（transmembrane kinase）と複合体 を形成する(12)．この複合体はROP2およびROP6をとも に活性化し，RIC4とRIC1を介して，細胞の凹凸の形成 を誘導する．シロイヌナズナではTMK相同遺伝子は4 つあるが， 四重変異体ではROPシグナル経路が オーキシンによって活性化されず，細胞骨格が再編成さ れずに，最終的な表現型として表皮細胞に凹凸がほとん どできない．また，ROP2-RIC4シグナル系は細胞骨格 の再編成だけでなく，オーキシン排出輸送体である PIN1の細胞内取り込みも抑制することで，凸部におい てオーキシンを細胞外に効率よく排出させる(13)．
このシグナル系では，細胞骨格が空間的に制御され区 画化されている．活性化したROP2はRIC1と結合する
ことによりその働きを阻害し，RIC1の微小管結合を妨 げる．一方でROP6-RIC1によって形成された束化した 微小管はROP2とRIC4の結合を妨げ，アクチン繊維の 形成を妨げる．この相互抑制システムによって，一つの 細胞の中に区画化されたシグナル領域が形成され，葉表 皮細胞の特徴的な凹凸を作る．ある細胞の凸部は隣り合 う細胞の凹部と組み合わされるように凹凸が発達する．
すなわち，隣接する細胞間にはおそらくはオーキシンを 介した相互作用が働き，互いに接する細胞領域で相反す るシグナル系が利用されると想像される．TMK1は凹 凸形成の初期段階では凸部に集積することから，この時 期の凹凸部における局所的なオーキシン濃度勾配の形成 に寄与しているのかもしれない．
表皮細胞凹部を架橋する微小管束に沿ってセルロース 微繊維が実際に形成されているか，また，セルロース微 繊維か表層微小管束のどちらが細胞狭部の形成に主要な 働きをしているのか，に関しては実証されていない．後 述の環境刺激に応答した微小管の再編においても，「表 層微小管がセルロース微繊維の配向を決定する」という 主に胚軸表皮細胞における観察結果をもとに考察されて いるが，微小管再編時においてセルロース微繊維の配向 がどの程度，またどれだけ素早く変化するかは，よく解 析されていない．
環境刺激に応答した微小管再編
弱光化で発芽させた幼植物に横方向から青色光を照射 すると，細長く伸びた胚軸は光をフォトトロピン（pho- totropin）と呼ばれる青色光受容体キナーゼにより感知 図2■葉表皮細胞の凹凸部における細胞骨 格の制御
オーキシンを結合したオーキシン結合タンパ ク質（ABP1）は細胞膜局在受容体型キナー ゼ（TMK） と 複 合 体 を 形 成 し，凹 部 で は small GTPaseで あ るROP6を 活 性 化 し，
RIC1を介して微小管の重合を促進する．一 方，凸部ではこの複合体はROP2を活性化 し，RIC4を介してアクチン繊維の重合を促 進する．この両者の働きにより，凹凸のある 葉の表皮細胞が形作られる．文献9を参考に 作図．
し，光の方向に向かって屈曲する．青色光照射前の胚軸 表皮細胞では表層微小管が伸長方向軸に対して垂直（横 方向）に配向することで縦方向の細胞伸長を促進してい るが，青色光が照射された側の細胞では縦方向に微小管 が再編される（図3）．この微小管再編現象は光照射数 分後に開始され，約1時間後に完了する比較的早い反応 であり，胚軸の光屈性に重要であると考えられる．この 配向変化は細胞の縦方向に微小管が新生することが原因 であるが，興味深いことにこの現象に微小管重合開始に 必須な
γ
チューブリン含有複合体は関与しない．横方向 の微小管に交差して縦または斜め方向に別の微小管が横 断する際に，2本の微小管の交差点で横断する方の微小 管が微小管切断タンパク質カタニン（katanin）により 切断される．切断後の微小管プラス端が引き続き重合を 続けることにより，縦方向の微小管の本数が増大する(14)．カタニンの微小管切断活性は青色光を受容した フォトトロピンにより増大する．光照射前では横方向の 微小管が大部分を占めるため，縦方向の微小管が重合を 続けると，次々と横方向に微小管と交差し，縦方向の微 小管が増幅されることになる．縦方向の表層微小管が大 部分を占める表皮細胞は縦方向に伸長できないため，光 照射を受ける側の伸長が受けない側に比べて抑制され，
青色光の方向に胚軸が屈曲すると考えられる．
本稿の最後に，細胞の形の変異株から同定された因子 が，環境ストレスに応答して微小管を再編する機能をも つことが見いだされた研究を紹介する．われわれの研究 室では，軸組織の表皮細胞が右または左に傾いて伸長す るために，根，胚軸，花弁などがねじれる変異体を多数 単離してきた．その中の一つに，
（ ）と呼ばれる変異体がある．こ の半優勢変異体の微小管は微小管脱重合剤プロピザミド に高感受性を示し，根などの軸組織は左方向にねじれ る(15)．この変異体の原因遺伝子は，C末端にMAPK (mitogen-activated protein kinase) phosphatase様 ド メ インをもつタンパク質をコードしており， 変異 株ではN末端のMAPK相互作用モチーフ類似配列のア ミノ酸置換変異が原因であった． の遺伝子破壊変 異株は通常の培養条件下では顕著な表現型を示さないこ と(16)， 変異遺伝子を野生株導入するとねじれ変 異形質が再現できることから， は機能獲得変異 であることが推定される．
組換えPHS1タンパク質は人工基質に対してフォス ファターゼ活性を示すが，フォスファターゼ活性部位に 変異を導入して活性を完全に失わせた変異PHS1を植物 細胞で発現させたところ，表層微小管が脱重合され，細 図3■青色光による表層微小管の再編成
暗所で生育させたシロイヌナズナ幼植物の胚軸表皮細胞は細胞の 長軸に対して直角方向（図では横方向）に表層微小管が配向して いる．一方向から青色光を照射すると，微小管同士が交差する点 で縦方向の微小管がカタニンにより切断され，縦方向に新たな微 小管（青色）が新生する．この微小管の切断と新生は微小管交差 点で繰り返され，箒状に縦方向の微小管が増幅する．文献14より 改変．
図4■高浸透圧ストレスによる微小管の再 編成
（A）活性化型PHS1を発現させたシロイヌナ ズナ幼植物体．細胞は極性をもった伸長が阻 害され，丸く膨らむ．下図は上図の根端部の 拡大図．（B）通常の生育条件では，PHS1の フォスファターゼ活性がキナーゼ活性を抑制 するため，PHS1は不活性状態に保持される
（左図）．高浸透圧ストレスがかかると，この 抑制が速やかに解除されるために，PHS1は 活性化され，チューブリンをリン酸化する．
リン酸化されたチューブリンは微小管ポリ マーに取り込まれない．文献17より改変．
胞と組織の異常な肥大が見られた（図4A）．さらなる解 析により，この微小管脱重合活性にはフォスファターゼ ドメインを除く中央断片が必要十分であり，この領域は 粘菌の非典型的なキナーゼドメインと相同性をもつこと がわかった(17)．PHS1断片に活性のあるフォスファター ゼドメインが含まれると，このキナーゼドメインの微小 管脱重合活性が効果的に抑制されることから，通常の植 物細胞ではフォスファターゼドメインがPHS1キナーゼ の活性を抑えていることが示唆された．PHS1キナーゼ ドメインの細胞内基質を探索した結果，このキナーゼは でも でも
α
チューブリンのThr349をリン 酸化することが明らかとなった．このトレオニンは微小 管中の縦方向に並ぶ2つのチューブリン分子の境界面に 存在し，微小管ポリマーの安定性に重要であると推測さ れる．実際，この部位をリン酸化されたチューブリンは でも でも微小管にほとんど重合しないこ とが示された(17)．原形質分離を起こすような高浸透圧条件に植物細胞を さらすと微小管の速やかな脱重合が引き起こされるこ と，および
α
チューブリンのThr349がその際にリン酸 化されるらしいことが報告されている(18)． 遺伝子 破壊変異株ではこの現象が全く起こらないことから，PHS1のチューブリンリン酸化活性が高浸透圧ストレス により活性化され，微小管の速やかな脱重合が引き起こ されることが判明した（図4B）．最初に発見された 変異株では標的MAPKとの相互作用が部分的 に弱められたため，PHS1キナーゼがストレス非依存的 に低レベルで活性化され，微小管の不安定化とねじれ表 現型が現れたと考えられる．
おわりに
間期の植物細胞に特徴的な表層微小管はセルロース合 成酵素複合体の動きを制御することにより，セルロース の配向を決定し，植物細胞の最終的な形を決定する主要 因となっている．したがって，表層微小管が細胞膜直下 でどのようなパターンに配置されるかが重要であり，そ の制御機構の解明が期待される．微小管はダイナミック に動く動的なポリマーであり，細胞が膨張を完了して最 終形を取った後でも，光や浸透圧などの外界刺激によ り，そのパターンが再編成されることが近年注目される ようになった．このような細胞骨格の再編成は動けない 植物が環境刺激や環境ストレスにすばやく応答し，環境 によりよく適応できるように進化させてきた細胞応答シ ステムかもしれない．
謝辞：筆者らの研究は，文部科学省基盤研究ならびに新学術領域研究
「植物細胞壁の情報処理システム」により支援されています．
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プロフィル
藤田 智史（Satoshi FUJITA）
＜略歴＞2007年京都大学農学部応用生命 科学科卒業／2013年奈良先端科学技術大 学院大学バイオサイエンス研究科博士課程 修了／同年同大学バイオサイエンス研究科 博 士 研 究 員／2014年University of Laus- anne Department of Plant Molecular Biol- ogy, Postdoctoral fellow＜研究テーマと抱 負＞細胞内構造物の構築・変化に興味があ る＜趣味＞おいしいものを探すこと
橋 本 隆（Takashi HASHIMOTO）
＜略歴＞1980年京都大学農学部農芸化学 科卒業／1985年同大学大学院農学研究科 博士後期課程単位取得満期退学／同年同大 学農学部助手／1994年奈良先端科学技術 大学院大学バイオサイエンス研究科助教 授／2000年 同 教 授，現 在 に 至 る＜研 究 テーマと抱負＞植物の左右性，微小管の多 様な機能，天然物生合成の制御と進化＜趣 味＞実用的な料理
Copyright © 2015 公益社団法人日本農芸化学会
