シロイヌナズナ

シロイヌナズナの遺伝子形質転換は、アグロバクテリウム・ツメファシエンスを用いてDNAを植物ゲノムに導入することで日常的に行われている。現在のプロトコルは「花浸漬法」と呼ばれ、目的のプラスミドを持つアグロバクテリウムと洗剤を含む溶液に花芽を浸すだけで​​ある。 ^{[ 49 ] [ 50 ]}この方法では、組織培養や植物再生の必要がない。

シロイヌナズナの遺伝子ノックアウトコレクションは、ハイスループット形質転換の利用とゲノムリソースへの資金提供によって可能になった、植物生物学にとってユニークなリソースです。30万を超える独立したトランスジェニック系統についてT-DNA挿入部位が特定されており、その情報と種子はオンラインT-DNAデータベースを通じてアクセスできます。^{[ 51 ]}これらのコレクションを通じて、シロイヌナズナのほとんどの遺伝子について挿入変異体が利用可能です。^{[ 52 ]}

特性が明らかになったシロイヌナズナの系統と変異系統は、実験室研究の実験材料として利用されています。最も一般的に使用されている背景系統は、L er (Landsberg erecta ) と Col、または Columbia です。^{[ 53 ]}科学文献であまり引用されていないその他の背景系統には、Ws、または Wassilewskija、C24、Cvi、または Cape Verde Islands、Nossen などがあります (例えば^{[ 54 ]}を参照)。Col-0、Col-1 などと名付けられた近縁系統のセットが取得され、特性が明らかにされています。一般的に、変異系統はストックセンターを通じて入手可能で、その中で最もよく知られているのは、Nottingham Arabidopsis Stock Center-NASC ^{[ 53 ]}と、米国オハイオ州の Arabidopsis Biological Resource Center-ABRC です。^{[ 55 ]} Col-0 系統は、Rédei が Laibach から受け取った (非照射) 種子集団「Landsberg」の中から選抜されました。^{[ 56 ]}コロンビア（レデイの以前の所属機関であるミズーリ大学コロンビア校の所在地にちなんで命名）は、アラビドプシスゲノムイニシアチブで配列決定された参照系統である。ラター（ランズベルグ・エレクタ）系統は、レデイがX線で突然変異させたランズベルグ集団から（背丈が低いという理由で）選抜された。L er変異体コレクションはこの最初の系統から派生しているため、L er -0はLa-0、La-1などと指定されたランズベルグ系統とは対応しない。

トリコーム形成はGLABROUS1タンパク質によって開始されます。対応する遺伝子のノックアウトは無毛植物につながります。この表現型はすでに遺伝子編集実験で使用されており、CRISPR/Cas9などの遺伝子編集方法を改善するための植物研究の視覚マーカーとして興味深いかもしれません。^{[ 57 ] [ 58 ]}

この植物は小型でライフサイクルが短いため、研究にも有利です。春の短命植物として特化しており、発芽から成熟種子まで約6週間で育ついくつかの実験室系統の確立に利用されてきました。小型であるため狭いスペースでの栽培に適しており、多くの種子を生産します。さらに、この植物の自家受粉性は遺伝子実験に役立ちます。また、1つの植物が数千個の種子を生産できるため、上記の各基準により、シロイヌナズナは遺伝モデル生物として高く評価されています。^{[ 62 ]}

シロイヌナズナは、植物におけるSNAREの研究モデルとしてよく用いられる。これにより、SNAREが小胞輸送に深く関与していることが示された。Zhengら（1999）は、シロイヌナズナのSNAREであるAtVTI1aはおそらくゴルジ体と液胞の輸送に不可欠である。これはまだ未開拓の分野であり、植物SNAREの輸送における役割は十分に研究されていない。 ^{[ 63 ]}

植物のDNAは紫外線に弱く、DNA修復機構は紫外線によって引き起こされるゲノム損傷を回避または修復するように進化してきた。Kaiserら^{[ 64 ]}は、シロイヌナズナでは紫外線によって誘発されるシクロブタンピリミジン二量体（CPD）がCPDフォトリアーゼの発現によって修復されることを示した。

2022年5月12日、NASAは、シロイヌナズナの標本が月のレゴリスのサンプルで発芽し、成長することに成功したと発表した。植物は発芽して苗に成長したが、対照群として火山灰で育てられた標本ほど丈夫ではなかった。ただし、実験では、レゴリスで育てられた植物はサンプルの採取場所によって多少のばらつきがあることも判明し、アポロ12号とアポロ17号で採取されたレゴリスで育てられたシロイヌナズナは、アポロ11号で採取されたサンプルで育てられたものよりも丈夫だった。^{[ 65 ]}

シロイヌナズナは、花の発生モデルとして広く研究されてきた。発生中の花は、萼片、花弁、雄しべ、雌しべ（後に雌しべになる）の4つの基本器官から構成される。これらの器官は、一連の輪状に配置され、外側の輪に4枚の萼片、その内側に4枚の花弁、6本の雄しべ、中央に雌しべ領域が続く。シロイヌナズナのホメオティック変異は、ある器官を別の器官に変化させる。例えば、アガマス変異の場合、雄しべが花弁になり、雌しべが新しい花に置き換わり、萼片-花弁-花弁のパターンが繰り返し生じる。^{[ 66 ]}

ホメオティック変異の観察により、E. CoenとE. Meyerowitzによって花の発生のABCモデルが提唱された。^{[ 67 ]}このモデルによれば、花器官のアイデンティティ遺伝子は、Aクラス遺伝子（萼片と花弁に影響）、Bクラス遺伝子（花弁と雄しべに影響）、Cクラス遺伝子（雄しべと雌しべに影響）の3つのクラスに分けられる。これらの遺伝子は、発生中にそれぞれの領域で組織分化を引き起こす転写因子をコードしている。このモデルはシロイヌナズナの花の研究を通じて開発されたが、一般的に他の顕​​花植物にも適用できる。

シロイヌナズナの研究は、特に双子葉植物における葉の形態形成の遺伝学に関して、かなりの知見をもたらしてきた。 ^{[ 68 ] [ 69 ]}その理解の多くは、葉の発達における突然変異体の解析から得られたものであり、それらのいくつかは1960年代に同定されたものの、1990年代半ばまで遺伝学的および分子生物学的手法で解析されることはなかった。シロイヌナズナの葉は、比較的単純で安定しているため、葉の発達の研究に適している。

シロイヌナズナを用いて、葉の形状形成の遺伝的メカニズムがより明確になり、葉原基の形成、背腹性の確立、縁辺分裂組織の形成という3つの段階に分けられるようになった。葉原基は、クラスI KNOXファミリーの遺伝子とタンパク質（ SHOOT APICAL MERISTEMLESSなど）の抑制によって形成される。これらのクラスI KNOXタンパク質は、葉原基におけるジベレリン生合成を直接抑制する。葉原基におけるこれらのクラスI KNOX遺伝子の抑制には、多くの遺伝因子（ASYMMETRIC LEAVES1、BLADE-ON-PETIOLE1、SAWTOOTH1など）が関与していることが明らかになった。このように抑制されると、ジベレリンのレベルが上昇し、葉原基の成長が始まる。

葉の背腹性の確立は、葉の背側（向軸側）表面と腹側（背軸側）表面が異なるため重要である。 ^{[ 70 ]}

シロイヌナズナは光学顕微鏡による解析に適しています。幼苗は全体的に、特に根は比較的透明です。このことと、幼苗が小さいことから、蛍光顕微鏡と共焦点レーザー走査顕微鏡の両方を用いた生細胞イメージングが容易になります。^{[ 71 ]}幼苗を水または培養培地に湿式マウントすることで、植物を非侵襲的にイメージングでき、固定や切片作成の必要がなくなり、タイムラプス測定が可能になります。^{[ 72 ]}蛍光タンパク質構築物は形質転換によって導入できます。各細胞の発生段階は、植物内での位置または蛍光タンパク質マーカーの使用によって推測でき、詳細な発生解析が可能になります。^{[ 73 ]}

光受容体であるフィトクロムA、B、C、D、Eは、赤色光に基づく光屈性反応を媒介します。これらの受容体の機能を理解することで、植物生物学者は、植物の光周期性、発芽、脱黄化、および日陰回避を制御するシグナル伝達カスケードを理解することができました。遺伝子FCA、^{[ 74 ]} fy、^{[ 74 ]} fpa、^{[ 74 ]} LUMINIDEPENDENS ( ld )、^{[74] fly、[74] fve [ 74 ]}およびFLOWERING ^{LOCUS C (} FLC ^{) [ 75} ] [ 76 ]は^{、開花と春化の}光周期トリガーに関与しています。具体的には、Lee et al 1994はldがホメオドメインを生成することを、Blazquez et al 2001はfveがWD40リピートを生成することを発見しました。^{[ 74 ]}

UVR8タンパク質はUV-B光を検知し、このDNA損傷波長に対する応答を媒介する。

シロイヌナズナは、光屈性、葉緑体の整列、気孔の開口、その他の青色光に影響されるプロセスの遺伝的基盤の研究に広く用いられてきた。 ^{[ 77 ]}これらの形質は、フォトトロピン光受容体によって感知される青色光に反応する。シロイヌナズナは、植物の概日リズムを制御するための光同調に特に重要な、別の青色光受容体であるクリプトクロムの機能を理解する上でも重要であった。^{[ 78 ]}暗くなるのが異常に早い場合、シロイヌナズナはデンプンの代謝を、分裂を必要とするほどに減少させる。^{[ 79 ]}

光に対する反応は、これまで光にほとんど反応しないと考えられていた根でも見られた。シロイヌナズナの根器官の重力屈性反応は主な屈性反応であるが、突然変異誘発剤で処理され、重力屈性作用がないことを選抜された標本は、青色または白色光に対して負の光屈性反応を示し、赤色光に対して正の反応を示したことから、根も正の光屈性を示すことがわかった。^{[ 80 ]}

2000年、ライス大学のジャネット・ブラーム博士は、シロイヌナズナを遺伝子操作して、触れると暗闇で光るようにした。その効果は超高感度カメラで確認できた。^{[ 81 ]}

グローイングプラントプロジェクトを含む複数の取り組みが、シロイヌナズナを使用して植物の発光強度を商業的に実現可能なレベルまで高めようと試みてきた。 ^{[ 82 ]}

1990年、ジャネット・ブラームとロナルド・W・デイビスは、シロイヌナズナが風、雨、接触に反応して触覚形態形成を示すことを明らかにした。 ^{[ 83 ]}シロイヌナズナでは、4つ以上の接触誘導遺伝子がそのような刺激によって制御されていることが判明した。^{[ 83 ]} 2002年、マッシモ・ピグリウッチは、シロイヌナズナが風に長時間さらされることで異なる分岐パターンを発達させ、表現型可塑性を示すことを発見した。^{[ 84 ]}

2019年1月2日、中国の嫦娥4号着陸機がシロイヌナズナを月に持ち込んだ。 ^{[ 85 ]}着陸機内の小さなマイクロコスモス「缶」には、シロイヌナズナ、ジャガイモの種、カイコの卵が入っていた。植物はカイコに酸素を供給し、カイコは排泄物を通して植物に必要な二酸化炭素と栄養素を提供するので、^{[ 86 ]}研究者たちは、植物が月面環境で光合成を成功させ、成長し、花を咲かせるかどうかを評価する予定である。 ^{[ 85 ]}

タリアニンはシロイヌナズナの根のトリテルペンである。 ^{[ 87 ]}ポッターら（ 2018）は、合成は少なくとも2つの要因、細胞特異的転写因子（TF）とクロマチンのアクセス可能性の組み合わせによって誘導されることを。 ^{[ 87 ]}

植物は生涯を通じて複数の病原体の影響を受けます。病原体の存在に対応して、植物は細胞表面に病原体を検出して応答するための受容体を進化させてきました。 ^{[ 106 ]}シロイヌナズナは、植物の病原体抵抗性の特定の防御機構を決定するために使用されるモデル生物です。^{[ 107 ]}これらの植物は、病原体を検出して病原体の増殖を阻害するメカニズムを開始できる特別な受容体を細胞表面に持っています。^{[ 107 ]}これらは、FLS2（細菌鞭毛タンパク質受容体）とEF-Tu（細菌EF-Tuタンパク質）という2つの受容体を含み、シグナル伝達経路を使用して病気応答経路を開始します。^{[ 107 ]}この経路は病原体の認識につながり、感染した細胞が細胞死を起こして病原体の拡散を阻止します。^{[ 107 ]} FLS2とEF-Tu受容体を持つ植物は、集団内で適応度が高まっていることが示されています。^{[ 104 ]}このことから、植物病原体抵抗性は、捕食の増加や極端な温度などの動的な環境に対応するために世代を超えて蓄積されてきた進化メカニズムであるという考えに至った。^{[ 104 ]}

シロイヌナズナもSARの研究に用いられてきた。^{[ 108 ]} この経路では、化学誘導物質であるベンゾチアジアゾールを用いて、SAR遺伝子の転写因子mRNAを誘導する。この転写因子の蓄積により、病原体関連遺伝子の抑制が起こる。^{[ 108 ]}

植物と病原体の相互作用は、植物が自身に影響を与える可能性のあるさまざまな種類の病原体と戦うためにどのように進化してきたかを理解する上で重要です。^{[ 104 ]}植物の抵抗性の個体群間の変動は、環境要因の変動によるものです。抵抗性を進化させた植物は、それが一般的な変動であれSAR変動であれ、より長く生き、組織の壊死（細胞の早期死）を遅らせることができ、急速に変化する環境にある個体群の適応性と適応度が向上します。 ^{[ 104 ]}将来的には、野生個体群の病原体システムと、それらが共進化させた病原体を、親が既知の野生-野生雑種と比較することで、平衡選択の新たなメカニズムが明らかになるかもしれません。生活史理論では、家畜のように、シロイヌナズナが植物病原体の影響と他の形質との間の多面発現によって特定の対立遺伝子を維持していることがわかるかもしれません。^{[ 109 ]}

シロイヌナズナの研究によると、免疫調節タンパク質ファミリーEDS1は一般的にヌクレオチド結合ロイシンリッチリピート受容体（NLR）のCC _HELOファミリーと共進化してきたことが示唆されている。Xiaoら（2005）は、シロイヌナズナのRPW8（ CC _HELOドメインを持つ）によって媒介されるうどんこ病免疫は、このファミリーの2つのメンバー、EDS1自体とPAD4に依存していることを示した。^{[ 110 ]}

Pseudomonas syringae 5 / RPS5は、 AvrPphB SUSCEPTIBLE 1 / PBS1を保護する病害抵抗性タンパク質です。PBS1は、その名前が示すように、 Pseudomonas syringae pv. phaseolicolaによって産生されるエフェクターであるAvrPphBの標的です。 ^{[ 111 ]}

シロイヌナズナは主に自家受粉する植物で、他家受粉率は0.3%未満と推定されている。^{[ 116 ]}ゲノム全体の連鎖不平衡パターンの解析から、自家受粉は約100万年以上前に進化したことが示唆されている。^{[ 117 ]}自家受粉につながる減数分裂は、有意な有益な遺伝的変異を生み出す可能性は低い。しかし、これらの減数分裂は、各世代の生殖細胞形成中にDNA損傷の組換え修復という適応上の利点をもたらすことができる。^{[ 118 ]}このような利点は、自家受精が続く場合でも減数分裂の長期的存続を可能にするのに十分であった可能性がある。シロイヌナズナの自家受粉の物理的メカニズムは、開花前の自家受精によるもので、受精は主に開花前に行われる。