1.被子植物の誕生と繁栄

しかし、被子植物になると精細胞の運動能力が失われ、新しい受精のしくみを獲得する。それは重複受精と呼ばれ、20万種を超える被子植物に共通のしくみである。重複受精は、水の少ない陸上環境に適応し、素早く種子形成するという特徴を持つ。砂漠に降った雨で種子がいっせいに芽吹き、花をつけ、水が干上がる前に次世代の種子をつくる様子は、まさに被子植物の適応能力の高さを示し、これが繁栄をもたらすと考えてよかろう。

2000年にシロイヌナズナのゲノムを解読したところ、鞭毛ダイニンの遺伝子は見いだせなかった。鞭毛を失った被子植物が新たに獲得した受精のしくみを見て行こう。

2.精細胞の運び屋：花粉管

被子植物の精細胞（註2）は、もはやイチョウの精子のように泳いで卵まで到達することはできない。そのかわり、時速数ミリメートルという植物としては非常な速さで花粉管を伸ばし、すばやく精細胞を胚珠に送り届ける。花粉管は、一個の花粉管細胞が細胞の一部を長く伸ばして作る構造である。花粉管細胞の中には、エンドサイトーシス（註3）によって生じた膜に包まれた二つの精細胞があり、花粉管が高速で伸びるのと一緒に先端へと運ばれていく。（図2）

このとき、雌しべの中で花粉管の伸びる方向を制御して、胚珠へと誘導するしくみを知ろうと古くからさまざまな誘引物質の探索が試みられてきたが、その実体は明らかにならなかった。

3.花粉管ガイダンス分子

大学院生時代にトレニアの体外受精系を立ち上げ、その後、高エネルギーの紫外線レーザーによって胚珠の細胞を一つ一つ壊し、花粉管を誘引している細胞を探った。その結果、卵細胞の隣にある二つの助細胞がその役割をしていることがわかった。

そこで顕微鏡下で助細胞を取り出して遺伝子発現を調べると、驚いたことに多数の分泌性ペプチドが高レベルで発現していた。 その中に、LUREと名付けた花粉管誘引ペプチドを複数発見できた（図5、映像1）。

LUREペプチドは分子進化が速く、近縁種間でも配列が異なる。そこで同属別種のトレニアに対しては誘引が弱く、同科のアゼトウガラシではほとんど誘引が起きなかった。異種の花粉で受粉すると、近縁な植物の花粉管ほど卵細胞の近くまで進入する。LUREペプチドはこの最終段階ではたらき近縁な異種でも、交雑を起こさせないための重要な障壁としてはたらいていると考えられる。

4.重複受精を捉える

胚珠で花粉管から放出された精細胞のうち、一方は卵細胞と、もう一方は中央細胞と受精する。受精すると、卵細胞は胚に、中央細胞は胚乳に成長する。しかし、めしべの奥深くで起こるこの現象を生きたまま観察することは難しい。

そこで、私たちはモデル植物シロイヌナズナを用いて遺伝子操作をし、生きたままでの重複受精の観察に挑戦した。このためには、①花粉管の中にある小さな精細胞など、受精に関わる雌雄の各細胞が光るシロイヌナズナづくり②高効率な体外受精法の確立③厚く覆われた胚珠内を撮影可能にするレーザー顕微鏡システムを整えた。
こうして、重複受精の瞬間を映像で捉えることに成功し、二つの精細胞がごく短時間で卵細胞と中央細胞のすき間に放出され、受精相手に到達する様子が観察できた。

二つの精細胞はおよそ7分ほどその場で留まった後、一方は卵細胞と、もう一方は中央細胞と受精する（映像2、図6）。受精の順番はきまっていないが、卵細胞と中央細胞の受精には約2分半の間隔がある。興味深いことに、卵細胞の受精に時間がかかったときには中央細胞の受精にも時間がかかるというように、二つの受精の時間には相関がある。二光子レーザー顕微鏡を用いて胚珠の奥深くをさらに詳しく観察すると、細胞のすき間に留まるあいだ、精細胞はただ細胞間隙に浮いているのではなく、卵細胞・中央細胞の両方と接した状態にあるように見えた。重複受精に欠かせない細胞間コミュニケーションがあるのだろう。

5.重複受精の謎

二つの精細胞が確実に異なる相手と受精できる理由については、これまで二つのモデルが唱えられてきた。一つは、精細胞の受精相手はあらかじめ決まってはいないが、多精拒否機構（註4）でもう一つの精細胞は未受精の細胞と受精するという考え、もう一つは、精細胞の受精相手はあらかじめ決まっているという考えである。

前者については、精細胞の数が増えるシロイヌナズナ変異体を用いると中央細胞だけで多精が起こるという報告があるので、卵細胞が先に受精し、残りの精細胞が中央細胞と受精する可能性が考えられた。ところが、両者の受精の間隔は予想よりはるかに短く、中央細胞が先に受精する場合もあった。おそらく卵細胞と中央細胞の両方で素早く多精のブロックがはたらき、しかもそれが局所的に起こるために精細胞の数が増えたときには巨大な中央細胞が多精しやすくなるのだろうと考えている。

後者のモデルについては、ナデシコ亜綱のルリマツリの仲間（Plumbago zeylanica）で有名な報告がある。この植物は、花粉管内で並ぶ二つの精細胞のうち後ろ側のものだけが色素体（註5）を持つので精細胞を区別できるのだが、後ろ側の精細胞の９割以上が卵細胞と受精したのである。

この植物のように二つの精細胞に明確な差が見られることは稀なのだが、花粉ができるときの二つの精細胞のでき方、並び方は被子植物に共通なので、一般に花粉管内の位置に応じて受精相手が決まっているとする説が長いあいだ支持されてきた。そこで私達は、紫外線を照射すると緑色から赤色に変わる蛍光タンパク質を用いて、シロイヌナズナで前後二つの精細胞を染め分けた（図7）。こうして、二つの精細胞の位置が花粉管内で入れかわることはないこと、前後どちらの精細胞も卵細胞とも中央細胞とも同程度に受精することがわかった。つまり、シロイヌナズナでは花粉管内での精細胞の位置と受精相手には関係がない。

被子植物では、胚乳形成を促すよう雄型のインプリンティングを受けた精細胞のゲノムが中央細胞に持ち込まれることで胚乳形成が進む。二つの精細胞でインプリンティングの状態が異なるかどうかは不明である。しかしシロイヌナズナでは、両方の精細胞で胚発生にはたらく遺伝子が発現しており、片方だけで発現している遺伝子はこれまで見つかっていない。これらのことから私たちは二つの精細胞の機能は等しいのではないかと考えている。

実はイチョウの花粉にも精子は二つ入っているが、このうち受精に使われるのは一つだけで、イチョウの雌株は受精前から数ヶ月かけて、半数体の胚乳をゆっくりと成長させる。これに対して被子植物の重複受精では余った精細胞も利用して、効率良く胚乳形成を行えるようになった。私たちの実験はそんな可能性を示している。

一つ一つの細胞を顕微鏡下で自由自在に操り、オルガネラ、さらには分子に至るまでを解析したい。これが大学院生の頃からの夢であり、今、それが「ライブセル生物学」という分野として展開できるようになった。重複受精というテーマには、生きた細胞を操作して個々の細胞の役割を明らかにする手法を活かせる魅力がつまっている。夢を目指して研究を進めている。