昔、カルスcallusを不思議に思った。植物はカルスをつくるとどんな個所からも再生できる！芽が出る。
その仕組みを勉強する。
カルスとはなんぞや。
引用：Wikipedia
カルス（英語：callus）とは、固形培地上等で培養されている分化していない状態の植物細胞の塊。植物細胞の分化は何種類かの植物ホルモンの濃度比によって制御される。このことを利用して、カルスの作製・維持、植物個体への再分化を操作できる。
もともとは、植物に傷ができたとき、その傷口に見られる未分化状態の癒傷組織のことを指していた。いずれにしても、形成過程の違いこそあれ、「分化していない植物細胞塊」という点で同一のものである。
分化した植物細胞は、G0期という特別な細胞周期にはいり、細胞分裂を行わずに休止している。しかし、このように分化した後でも、植物細胞は分化全能性を保持している。そのため、いったん未分化の状態に戻せば（脱分化）、周囲の環境の調節しだいであらゆる方向へ再分化させることができる。この脱分化された植物細胞こそがカルスである。
脱分化及びカルス形成の方法の一例として、植物体の一部を切り取り、植物ホルモンのオーキシンとサイトカイニンが適当な濃度で含まれた培地上で培養することが挙げられる。このとき、使用する植物組織も含めて、殺菌・滅菌をしっかりと行い、完全な無菌状態で操作する必要がある。また、脱分化の際に植物細胞が要求する植物ホルモンは、オーキシンとサイトカイニンを両方必要とするもの、どちらか一方だけでよいもの、双方不要なもの、特定の植物ホルモンの組み合わせのみで起こるもの、特定の糖や窒素源を要求するもの、など、植物種や組織によって様々である。
引用：JSPP広報委員長、大阪大学大学院理学研究科 柿本 辰男 回答日：2011-05-23
動物でも、植物でも、受精卵は個体を作り出しますので、全能性(totipotency)があると言います。動物の場合、受精後しばらくして、胚盤胞の内部細胞塊もどんな細胞にもなることができます。これを取り出して培養したものがES細胞を言い、やはりどんな細胞になる能力もありますが、それだけで個体にはなりませんので、pluripotencyがあると言います。
これらの細胞は未分化です。発生が進むと、組織幹細胞が作られ、未分化ではあっても運命が限られています。これらの細胞から分化した細胞が作られますが、動物の場合、いったん分化するとよほどのことをしない限り脱分化することはありません。よほどのことは、というのは、一次的にいくつかの遺伝子を強制発現させ、未分化な、いわゆるiPS細胞を作るというようなことです。
植物の場合も、未分化な細胞から、組織幹細胞のような細胞、そして分化した細胞が作られますが、これらの細胞の状態は、細胞をとりまく環境を変えるとすぐに変ります。
特に、植物の組織片に植物ホルモンであるオーキシンとサイトカイニンを与えると、簡単に脱分化して細胞増殖が起こることが多いです。また、脱分化した植物の細胞は植物体を再生することができますので、全能性があると言います。このように、動物と植物の細胞の状態の頑固さは違っています。
さて、それぞれの細胞の状態（未分化な細胞、運命は限られているが未分化な細胞、分化した細胞）は、いくつかの遺伝子の相互作用ネットワークにより安定化されていると考えられます。ここで、遺伝子の相互作用を説明しましょう。
転写因子という種類のタンパク質があります。これは、いくつかの特定の遺伝子の発現（転写活性）を制御するものです。転写因子により、制御する遺伝子（ターゲット）が違っています。ここで制御される遺伝子には、やはり転写因子をコードするものもあれば、細胞の構造を作るタンパク質をコードする遺伝子、酵素をコードする遺伝子など、様々なものがあります。転写因子は別の遺伝子を制御しますので、転写因子をコードする遺伝子の制御ネットワークが出来上がります。
また、これ以外に、DNAそのものをメチル化することによる制御もあります。これらにより、あるセットの遺伝子が発現すると、そのセットにより細胞のタイプが決められるのです。脱分化の際には、遺伝子制御ネットワークが変化して、脱分化状態になると考えられます。ただ、まだ良く解っていない分野であり、今後解明されなくてはいけない、重要な問題だと思います。
カルスの細部について見てみる。
引用：http://www.riken.jp/pr/press/2017/20170117_2
植物が傷口で茎葉を再生させる仕組み
−組織培養による植物の量産や有用物質生産に期待−
要旨
理化学研究所（理研）環境資源科学研究センター細胞機能研究チームの岩瀬哲研究員、杉本慶子チームリーダーらの研究チームは、植物が傷口で茎葉を再生させる分子経路の一端を明らかにしました。
植物の高い再生能力は、挿し木や葉挿しなど、農業や園芸分野で古くから植物体の増産に利用されています。しかし、植物がどのように傷口で新しく組織を再生させるか、その分子レベルでのメカニズムはよく分かっていませんでした。
研究チームは2011年、シロイヌナズナ[1]の傷口で細胞の脱分化[2]を促進する転写因子[3]「WOUND INDUCED DEDIFFERENTIATION 1（WIND1）」を発見しました。WIND1によって発現がオンになる遺伝子を探索したところ、転写因子「ENHANCER OF SHOOT REGENERATION 1（ESR1）」が一つの候補に挙がりました。今回、このESR1に着目し、傷口での機能を調べました。その結果、傷口でESR1遺伝子が発現し、カルス[4]（脱分化した植物細胞の塊）形成やカルスから生じる茎葉の再生を促進することが分かりました。また、WIND1がESR1遺伝子のプロモーター[5]領域に結合し、ESR1遺伝子の発現を直接的に促進していることが明らかになりました。つまり、シロイヌナズナが傷口で茎葉を再生させる際には、少なくともWIND1とESR1の二つの転写因子が階層的に機能するということです。これらの結果は、植物には傷ができた後に、カルス形成を通して茎葉を再生させる分子経路が存在することを示しています。
今後、WIND1とESR1を直接利用したり、ESR1が制御する遺伝子群を特定していくことで、効率のよい組織培養[6]による植物の量産や有用物質生産などへ繋がる可能性があります。
背景
植物の高い再生能力は古くから知られ、現在でも農業や園芸分野で広く利用されています。挿し木や葉挿しなどは、切り取った組織の一部を土に埋めて放置し、再生する植物体を育成してクローン植物を増やす手法です。また、植物の中には、ちぎれた葉から個体を再生させ、繁殖に利用する種もあります。
再生能力が高いことで知られる動物、例えばプラナリアやイモリなどと同様に、植物の再生においても組織が傷を受けることが再生の引き金になっています。しかし、傷がどのように組織の再生を促すのか、その分子レベルでのメカニズムは、近年までほとんど分かっていませんでした。
傷を受けた生物の再生には、一度分化が完了した細胞から分化多能性を持った幹細胞[7]が新しく生み出される「脱分化」という現象を経るものがあります。興味深いことに、植物では脱分化に関与する因子の発現を制御すると、多くの場合、カルスが形成されるだけでなく、茎や葉など、さまざまな組織が再生されます。自然界でもカルス形成の後に組織の再生が観察されることから、カルス形成と組織の再生は連動した経路であることが予想されます。
研究チームは、植物細胞の持つ分化全能性[8]、すなわち一つの細胞が個体をつくる全ての細胞に分化できる能力を発揮する一連のメカニズムについて分子レベルで解析を進めています。2011年には、シロイヌナズナの傷口で細胞の脱分化を促進する転写因子「WOUND INDUCED DEDIFFERENTIATION 1（WIND1）」を発見しました注１）。また2015年には、通常の発生・成長の過程では、全能性の発揮を抑える因子「PRC2(Polycomb repressive complex 2)」が必要であることを明らかにしています注2）。
今回、研究チームは2011年に発見したWIND1を足掛かりに、傷が組織の再生を促す際に関わる因子を探索しました。
注1）2011年3月11日プレスリリース「植物細胞の脱分化を促進するスイッチ因子を発見」
注2）2015年6月30日プレスリリース「植物の分化全能性抑制の分子メカニズムの一端を解明」
研究手法と成果
研究チームは、先行研究としてWIND1遺伝子を過剰発現させた植物体（シロイヌナズナ）でどのような遺伝子が発現しているかをDNAマイクロアレイ法[9]を用いて調べました。その結果、転写因子「ENHANCER OF SHOOT REGENERATION 1（ESR1）」の遺伝子が多く発現していることが分かりました。ESR1遺伝子は、植物ホルモン[10]を添加して茎葉の再生を誘導する組織培養条件で発現量が増え、茎葉の再生を促進する因子であることが報告されています注3）。このため、傷口で発現しカルス形成を誘導するWIND1がESR1遺伝子の発現を制御しているのではないかという仮説を立てました。
傷口でWIND1がESR1遺伝子の発現を制御しているのであれば、傷口でESR1遺伝子の発現が促進されるはずです。実際、RT-qPCR法[11]によってESR1遺伝子の発現量を複数の組織の傷口で測定したところ、どの組織でも、傷つけてから数時間以内に発現量が上昇しました。また、プロモーターレポーター解析[5]においても、傷口の維管束柔組織や前形成層の細胞、維管束の周りの葉肉細胞で特異的にESR1遺伝子のプロモーター領域の活性が確認されました。プロモーターとは、ある遺伝子が発現し転写される際に、その遺伝子の発現を調節するDNA上の領域のことです。さらに、ESR1に緑色蛍光タンパク質（GFP）をつないだESR1-GFPタンパク質をESR1プロモーターで発現させたシロイヌナズナ（ESR1-GFP）でも、傷口の細胞の核で蛍光が観察されました。傷をつけた後のWIND1遺伝子の発現がESR1遺伝子より先に見られたこと、また、WIND1の機能を抑制したシロイヌナズナ（WIND1-SRDX）ではESR1遺伝子の発現が抑えられたことから、実際にWIND1がESR1遺伝子の発現を制御していることが示されました。
次に、WIND1がどのようにESR1遺伝子の発現を制御しているのかを調べました。WIND1が、ESR1遺伝子のプロモーター領域に直接結合して遺伝子発現を制御するのか、または別の因子を介してESR1遺伝子を制御するのかを明らかにすることは、傷ストレスによる茎葉再生の分子経路を理解するために重要です。研究チームは、クロマチン免疫沈降（ChIP）法[12]とゲルシフトアッセイ（EMSA）法[13]という異なる二つの手法によって、WIND1が直接ESR1遺伝子のプロモーター領域に結合することを明らかにしました。これによって、シロイヌナズナの傷口ではWIND1→ESR1という二つの転写因子が階層的に機能する分子経路が存在することが示されました。
さらに、研究チームは、ESR1遺伝子が傷口のカルス形成に関わるかを調べました。ESR1遺伝子の機能を抑制したシロイヌナズナ（esr1とESR1-SRDX）および、ESR1遺伝子が多く発現するようにしたシロイヌナズナ（esr1-DとESR1-GFP）を用い、傷口でのカルス形成能を野生株と比較しました。その結果、野生株と比べ、esr1とESR1-SRDXはカルス形成が抑制され、esr1-DとESR1-GFPはカルス形成が促進されました。これにより、ESR1遺伝子は傷口において、カルス形成を促進する機能を持つことが明らかになりました。
続いて、ESR1-GFPタンパク質をESR1プロモーターで発現させたシロイヌナズナ（ESR1-GFP）を用いて、傷をつけた組織（花茎、葉、子葉および根）を植物ホルモンを添加しない培地で培養しました。用いた野生株の場合、植物ホルモンを添加した培地で培養しないと茎葉は再生しません。ところが、ESR1-GFPは植物ホルモンの添加なしに茎葉が再生しました。ESR1-GFPでは、傷をつけた後のESR1遺伝子の発現量がピーク時には野生株に比べ2倍ほど増えていたことから、傷口でESR1遺伝子の発現量を増加させると茎葉の再生が促進されると予想されました。
これを検証するため、遺伝子発現のタイミングを制御できる遺伝子発現誘導系のシロイヌナズナの葉を用いて、傷をつけた後にESR1遺伝子の発現を誘導しました。その結果、培地に植物ホルモンを添加しない条件でも、傷口からの茎葉再生が著しく促進されました（図1）。このことから、傷口でESR1遺伝子の発現量を増加させると茎葉の再生が促進されることが示されました。
ESR1も転写因子であることから、WIND1と同様に発現を制御する遺伝子（群）が存在すると考えられます。研究チームは、茎葉が著しく再生する組織培養の条件を用いて、ESR1によって茎葉再生が制御される遺伝子をRT-qPCR法で探索しました。この組織培養条件では、ESR1遺伝子の機能を抑制したesr1とESR1-SRDXは、野生株に比べて茎葉の再生が抑えられ、逆にESR1遺伝子が多く発現するようにしたesr1-DとESR1-GFPでは茎葉の再生が促進されます。組織培養条件で茎葉再生に関与することが既に報告されている12個の転写因子の遺伝子について、野生株とesr1を比較したところ、esr1ではESR2、CUC1、RAP2.6L、WUS、STMの5個の遺伝子の発現が抑制されました。この結果から、ESR1が制御する遺伝子には茎葉再生に関わる5個の転写因子が含まれることが分かりました（図2）。
これらの解析から、傷をつけたシロイヌナズナの組織には、WIND1→ESR1という転写因子のネットワークが存在し、そのネットワークによって傷口のカルス形成や茎葉再生が促進されることが明らかになりました。これは、傷を受けた植物が単に傷口でカルス形成を誘導し傷を塞ぐだけでなく、そのカルスから新しい組織を再生させるための分子経路を持つことを明らかにしたといえます。
研究チームは、WIND1が結合するESR1プロモーター領域の配列を特定し、さらにESR1遺伝子の傷口での発現が植物ホルモンのオーキシン[10]とサイトカイニン[10]によって相乗的に促進することなども明らかにしました。サイトカイニン応答に関わるARR1とARR12の機能抑制二重変異体（arr1,arr12）でも、傷ストレス後のESR1の発現量が減少することなども見いだしました（図2）。
図1
図2
引用：http://www.riken.jp/pr/press/2018/20180215_1/
要旨
理化学研究所（理研）環境資源科学研究センター細胞機能研究チームの池内桃子訪問研究員、柴田美智太郎訪問研究員、杉本慶子チームリーダーらの国際共同研究グループ※は、植物の器官再生を司る遺伝子制御ネットワークの全体像を明らかにしました。
植物は高い再生能力を持っており、小さな植物片から個体全体を再構築できることがあります。私たちはこの植物の再生能力を広く利用して、組織培養[1]によるランやシクラメンなどの花卉（かき）植物の大量生産、遺伝子導入による青いバラの作出などを行なっています。一方、農作物の中には組織培養が難しいものもあり、新たな組織培養技術の開発が求められています。新たな技術の開発には、植物が再生する基本的な仕組みを解明し、再生の過程で働く多くの遺伝子群の複雑なネットワークの全貌を捉えることが重要です。
今回、国際共同研究グループは、酵母ワンハイブリッド法[2]を用いて遺伝子同士の制御関係を網羅的に調べました。252転写因子[3]と48遺伝子の制御領域（プロモーター[4]）について調べた結果、1162個の相互作用を検出しました。1162個の相互作用をネットワーク解析[5]した結果、再生に関与する因子として既に知られているESR1とPLT3が重要な位置を占めることが確認されました。また、熱や傷ストレスによって活性化されることが知られるHSFB1が、再生に関与する可能性が新たに分かりました。今回の大規模な解析によって、これまで再生現象に関わることが確認されていなかった因子が再生に重要な役割を果たす可能性が示されました。
背景
植物は一般的に高い再生能力を持つと考えられています。私たちは植物の再生能力を広く利用して、組織培養によるランやシクラメンなどの花卉（かき）植物の大量生産、遺伝子導入による青いバラの作出などを行なっています。植物の再生能力は、植物種によって大きく異なり、器官を切断するだけで新たな茎葉や根を再生できる植物種、あるいは切断した茎葉などを、オーキシン[6]やサイトカイニン[6]という植物ホルモン[6]を添加した培地で培養すると新たな器官を再生できる植物種などさまざまです。一方、体組織から新たな器官再生ができない植物種もあります。ダイズやイネなどの農作物では、品種によっては器官再生の効率が非常に低く、農業上で問題になっている例が多くあります。
このような問題を解決するため、これまでは植物ホルモンの濃度など培養条件を最適化することで、組織培養技術の改良が行われてきました。しかし、器官再生に関わる遺伝子の働きが解明できれば、従来の方法では組織培養が難しい種でも組織培養が可能になり、再生しやすい品種を効率的に選定できると考えられます。
杉本チームリーダーらは、これまでに植物が傷口から新たな器官を生み出す仕組みについて研究を行い、2011年に鍵となる転写因子のWIND1遺伝子の発見注1）、2017年に茎葉再生を司るESR1をWIND1が直接制御する仕組みの発見注2）など、世界に先駆けて重要な成果を発表してきました。
細胞の中では、多くの遺伝子群が互いに関わり合いながら複雑な制御ネットワークを構築していると考えられますが、全体像はこれまで分かっていませんでした。また、傷ストレスとオーキシン・サイトカイニン投与という異なる外部刺激がどのように関連し合って器官の再生を誘導するのかという点も未解明でした。
注1）2011年3月11日プレスリリース「植物細胞の脱分化を促進するスイッチ因子を発見」
注2）2017年1月17日プレスリリース「植物が傷口で茎葉を再生させる仕組み」
研究手法と成果
国際共同研究グループはまず、酵母ワンハイブリッド法を用いて遺伝子同士の制御関係を網羅的に調べました（図1）。252転写因子と48遺伝子の制御領域（プロモーター）について調べた結果、合計1162個の相互作用を検出しました。得られた結果に基づき、ネットワーク解析を行うことによって、ネットワーク構造において重要な位置を占める因子を同定しました。
その中には、再生に関与する因子として既に知られているESR1とPLT3が、含まれていました。また、熱や傷ストレスによって活性化されることが知られているHSFB1が、再生の鍵となる役割を果たす可能性が新たに示されました（図2）。
また、酵母細胞中で検出された相互作用が、実際の植物においてどの程度重要であるかを調べるために、植物における遺伝子の働きを調べました。その結果、傷ストレスによってオンになる遺伝子群と植物ホルモン投与によってオンになる遺伝子群が、協調しながらさまざまな下流現象を制御する様子がみえてきました。
さらに、池内訪問研究員らが最近発表した遺伝子発現データを活用して注3）、植物が傷ストレスを受けてから遺伝子の活性がオンになるタイミングを詳しく比べたところ、早く活性化される遺伝子が他の遺伝子に働きかけることで、後からその遺伝子が活性化される例が複数見いだされました。
図2
酵母ワンハイブリッド法によって描き出された遺伝子同士の制御関係を表している。丸の大きさが重要性を示し、赤い丸で示したESR1、PLT3、HSFB1が特に重要であることが示された。
なるほど、ネットワークか。遺伝子のカスケードだな。
傷ついたという信号はなんだろう。死んだ細胞から出たなんらかの物質が信号なのか。
引用：http://bsj.or.jp/jpn/general/BSJ-Review_6A_2-22.pdf
傷害誘導性のカルス形成
植物の個体を増やす手法として良く用いられる挿し木や挿し葉法では, 植物体の一部を切り取って土や水に挿しておくが, やがて切断面から根や茎葉が出てきて新たな個体が再生する。また, 接ぎ木法では, 例えば病害に強い種の根と, 良い果実がつく種の地上部など, 異なる種同士の茎を人為的に接着させ, 通道組織を再生させて病害に強く収量の安定した個体を生み出したりする。 切断面や接ぎ木面ではカルスの形成がよく観察され(Sass, 1932; Cline and Neely, 1983), 特に接ぎ木においてはカルス形成の度合いが, うまく接げるか否かに影響すると考えられている(Sass, 植物科学最前線 6:4 (2015) BSJ-Review 6:4 (2015) A. Iwase, M. Ikeuchi & K. Sugimoto-4 1932)。
また皮が剥がれた樹木が樹皮を再生する現象は, 約200 年前には認知され研究されていたと指摘されている (Stobbe et al. 2002)。この過程の中では, surface callus と呼ばれる細胞塊が形成される(Sharples and Gunerry, 1933)。組織学的な観察から, このカルスは維管束の細胞, 皮層の細胞, 髄の細胞などから生じ, 木部, 師部, 周皮, 形成層を生み出す。このように, 植物は自らカルスをつくる能力を有しており, 傷害誘導性のカルス形成は傷の修復やその後の器官再生に重要な役割を担っている。
内在性の植物ホルモンやその応答経路が, 傷害誘導性のカルス形成に関与していることが報告されている。シロイヌナズナ花茎を一部切断し, 組織を癒合させる実験系においては, まず癒合面に不定形の細胞塊が形成される。この過程にはオーキシンとジャスモン酸の関与が報告されている。私達は植物ホルモンを含まない培地上で, シロイヌナズナの黄化胚軸の切断面におけるカルス形成過程を観察しているが, 切断面においてサイトカイニンの応答系が活性化していることを観察している。
面白い事に, 組織の再生様式は植物体の部位によって異なっており, 例えば同じシロイヌナズナにおいても根端の分裂組織周辺では明確なカルス化を伴わない再生現象がみられる (Sena, 2009)。
また, コケの一種であるヒメツリガネゴケでは, 茎葉体の切断面の細胞から, 原糸体の幹細胞がカルス化を伴わずに形成される。このような部位による修復反応の違いや, 植物種による再生戦略の違いは何によって規定されているのだろうか？この問いに答えるためには同一種による総合的な研究を進めて行くとともに, 種を超えた横断的な研究が必須である。
傷害誘導性の再生現象は, 植物のみならず様々な動物にもみられている(Birnbaum and Sanchez Alvarado, 2009)。例えば両生類のイモリは切断された脚はおろか, 傷害を受けた心臓や眼のレンズなども再生することが知られている (Straube and Tanaka, 2006)。
イモリの例は高校生物でも取り上げられるため比較的良く知られているが, 脊椎動物のみならず, 刺胞動物（ヒドラ, クラゲ）, 扁形動物（プラナリア）, 棘皮動物（ヒトデ）, 環形動物（ヤマトヒメミミズ）, 節足動物（昆虫類）などでも観察されている。
中には傷の修復にとどまらず, 再生能を積極的に繁殖に利用している生物も報告されている。ヤマトヒメミミズは, 自切と呼ばれる現象で一個体が自ら10 個程に切れ, それぞれが個体として再生し増殖する(Yoshida-Noro and Tochinai, 2010)。培養環境下では, これが二週間おきに観察されるという(Yoshida-Noro and Tochinai, 2010)。このような自切による繁殖はプラナリアでも報告されている(Hyman 1951)。
また, 担子菌類の多くは胞子を形成し飛ばすための組織として子実体（キノコ）を分化させるが, 傷害や様々なストレスによって子実体から再び菌糸体（気中菌糸）を再生させることも報告されている(Murata et al. 1998)。
このように, 傷害ストレスによる再生現象は多細胞生物に保存された共通の生存戦略であると考えられる。再生する組織の由来となる細胞が, 細胞リプログラミング（脱分化やdirect reprogramming）を経たものであるのか, 幹細胞が活性化したものなのか, その様式についてはそれぞれの種で研究が進められている。研究途上であったり, それぞれの種で用いられている語の定義が必ずしも一定でなかったりするため一概には比べられないが, 種によっては細胞リプログラミングと幹細胞の活性化も両方行っている場合がある。例えば植物は, 頂芽を失うと脇芽を再生させるが, この場合は休眠していた幹細胞が活性化されている(Muller and Leyser, 2011)。
また, 私達ヒトでも傷害からの再生現象が観られるが, 例えば皮膚の再生は皮膚の幹細胞によるものであるのに対し(Staniszewska et al. 2011), 傷害を受け腸管の再生現象では, 脱分化と呼べる現象も起きていることが報告されている（van ES and Sato et al. 2012）。
傷害ストレスによる再生現象を誘導・実行する分子の実体は何なのか。プラナリアで近年明らかにされたように(Liu et al. 2013), 再生能の異なる近縁種との比較からその謎を解き明かすことは, 一つの有効なアプローチであろう。
他生物によって引き起こされるカルス形成
バクテリアの一種であるアグロバクテリウム Agrobacterium tumefaciens (近年の再分類で学名はRhizobium rhizogenes に変更されている)は, 多くの植物種に根頭癌腫病(クラウンゴール)を引き起こす事が知られている(Gohlke and Deeken, 2014)。このバクテリアは植物の傷害部位から感染しカルスを植物に作らせるが(Nester et al., 1984), この機構は驚きに溢れている。
傷ついた植物の組織が放出するアセトシリンゴン（フェノール性物質の一種）を感知したアグロバクテリウムは, 自身が有する環状のDNA の一部(T-DNA と呼ばれる)を切り出して, 植物細胞の核の中に送り込み, 最終的には植物のDNA に自らのT-DNA を組み込む。
このT-DNA には, オーキシン合成遺伝子(Sitbon et al., 1991), サイトカイニン合成遺伝子(Akiyoshi et al., 1983, 1984), さらにはオパインという特殊なアミノ酸を作る遺伝子の配列がコードされており(Nester et al., 1984), これによって感染された植物は傷口にカルスを形成し, その活発に分裂する細胞では同時にアグロバクテリムが好物とするオパインが作られる。
クラウンゴールの細胞は, バクテリアを除去した後も植物ホルモンを含まない培地で継代培養ができるが, この事例からもカルスの誘導と維持にはオーキシン, サイトカイニンが重要な働きを担っている事が分かる。
アグロバクテリウムの場合は, 植物ホルモンの合成遺伝子を直接植物に組み込むという離れ業を行うが, その他多くの微生物では, 自らオーキシンやサイトカイニンを合成し (Morris, 1986; Glick, 1995), それらを用いて植物細胞のリプログラミング等に用いていることが知られている(Manulis et al., 1998)。
バクテリアの一種であるPantoea agglomerans pv. gypsophilae やP. agglomerans pv. Betae も植物に感染しカルスを作らせる事が知られているが(Barash and Manulis-Sasson, 2007), このバクテリアも自ら植物ホルモンを生産する。加えてtype III secretion system によって植物細胞内に送り込まれるエフェクタータンパク質を複数有しており, このいくつかの機能を欠損させると感染はできてもカルス化が起きない。驚くべきことに, このバクテリアが有するオーキシンやサイトカイニンの合成酵素遺伝子を欠損させても, 腫瘍は小さくなるものの形成そのものは阻害されない(Barash and Manulis- Sasson, 2009)。
このことから, このバクテリアによるカルス形成にはエフェクタータンパク質の働きが必須であると考えられている(Barash and Manulis- Sasson, 2009)。このエフェクタータンパク質が植物細胞のオーキシン, サイトカイニン応答を変化させることが報告されているが(Weinthal et al., 2010), その作用点については明らかになっていない。今後このようなエフェクタータンパク質の同定と機能解析は, 植物細胞のリプログラミング制御機構解明のひとつの有力な手段になると考えている。
植物にもウィルス性の腫瘍形成があることが知られている。創傷腫瘍ウィルス(Wound tumor viruses; WTVs)は, 二本鎖RNAを有する第3群のウィルスで, 宿主となるクローバーなどの植物に瘤をつくらせる。
このウィルスによって形成される腫瘍は比較的に分化が進んでおり, 宿主の表皮や髄に囲まれて木部や師部に似た組織 (psuedophloem)や, また分裂組織が観察される(Lee, 1955)。同様に第3 群のウィルスであるRice gall dwarf virus は, イネやコムギなどのイネ科植物を宿主とし腫瘍形成を誘導する。このウィルスやWTV の二本鎖RNA はそれぞれ12 のタンパク質をコードしていると考えられているが(Zhang et al., 2007), これらの中で, どのタンパク質がどのように植物細胞のリプログラミングを引き起こしているかは, まだ分かっていない。
他の生物種による植物細胞のリプログラミングも数多く報告されている。例えば, 根こぶ病を引き起こす原生生物phytomyxea (Malinowski et al., 2012)や線形類に属すネコブセンチュウ(Jammes et al., 2005), いわゆる「虫こぶ」をつくらせる昆虫類 (Tooker et al., 2008)等が挙げられる。
これらの中には, 作物に甚大な被害を起こすものがあるが, 感染や病徴が現れる際の分子メカニズムを解明する事は農業的にも大変重要である。一方, 植物にとっても我々人類にとっても非常に重要な瘤がある。その一つは, 根粒菌がマメ科植物に作らせる根粒である。
植物みずから、オーキシンやサイトカイニンを産生するほかに、バクテリアがオーキシンやサイトカイニンのDNAコードをもっており、それを植物に送り込んでオーキシンやサイトカイニンを産生させる。驚異！
アグロバクテリウム
引用：Wikipedia
A. tumefaciensは多くの双子葉植物および一部の裸子植物・単子葉植物に虫こぶ様の腫瘍（根元などに生じ、根頭癌腫、クラウンゴール crown gall と呼ばれる）を起こす。この菌はTiプラスミド（pTi: Tiはtumor-inducingの略）と呼ばれる巨大なプラスミドを有しており、その一部であるT-DNA（transfer DNAの意）と呼ばれるDNA断片を植物細胞に注入し、T-DNAは相同組換えにより植物細胞のゲノムに挿入される。ただし、T-DNAの両末端の極めて短い配列とゲノムの配列との相同組換えであるため挿入位置はかなりランダムであり、実質的にはほとんどが非相同組換えによってゲノムに挿入されるといってよい。
T-DNAは植物ホルモン（オーキシンとサイトカイニン）を生成する酵素の遺伝子であるiaaM(tms1), iaaH(tms2), iptZ(tmr)を含み、これらによって生産される大量のオーキシンやサイトカイニンにより腫瘍（A. tumefaciensに特有）が形成される。またT-DNAはオパイン (オピン: Opine) と総称される特殊なイミノ酸（アグロバクテリウムは炭素源や窒素源として代謝できるが、他の細菌はほとんど利用できない）を植物に作らせる酵素をコードしている[2]。根粒菌などの窒素固定細菌とは異なりA. tumefaciensは寄生細菌であって、植物にとって利益はない[3]。このA. tumefaciensの性質は「植物に対する遺伝的植民地化」とも喩えられる。
Tiプラスミドは大きい（20万塩基対前後）プラスミドで、T-DNAの他にT-DNAを植物細胞に輸送するのに働く遺伝子群(vir region)やオパインを分解消費するための遺伝子などを持っている。vir regionはvirA, B, G, C, D, Eの６つのオペロンから形成されており、それぞれのオペロンは複数の構造遺伝子を含んでいる。
なお、virCオペロンのみ転写方向が他のvirオペロンとは異なる。
サクラの木とサクランボの木のクラウンゴールから分離されたTiプラスミド（pTi-SAKURAとpTiC58）の全塩基配列が明らかにされている。最もよく研究されている細胞株はA. tumefaciens C58（サクランボの木のクラウンゴールから分離された）で、Goodnerら[4]とWoodら[5]により同時にゲノムの完全配列が明らかにされた。A. tumefaciens C58のゲノムは環状の染色体、2個の環状プラスミド、および1本の直線状染色体からなる。環状染色体を有する細菌はごく普通だが、それに加え直線状染色体を持つのはアグロバクテリウム属の一部のグループに特有である。2つの環状プラスミドはpTiC58（病原性に関与する[4]）とpAtC58[5]である。pAtC58はオパイン（A. tumefaciens C58が生成するオパインはノパリン〔Nopalin〕と呼ばれる）の代謝に関与し、これはpTiC58がない場合には他の細菌にも転移する[6]。
実にさまざまな植物やバクテリアが同じようなDNAコードを持っている。驚くべきことだ。