シロイヌナズナの根におけるイオン分布の細胞種特異的マッピング
久しぶりにNicolaus von Wirenの論文が出た。この論文は残念ながらすべての図が細かすぎて説明も煩雑で図を紹介できない。
要は、FACS-ICP-MSという精緻な手法を開発して、組織の細胞をプロトプラスト化して、セルソーテイングにかけて分離して、その一個一個の細胞をICP-MSにかけて多元素解析を一気にやって、元素の組織分布を細胞レベルで明らかにする手法である。一例としてアラビドプシスを鉄欠乏にした場合に、マンガンが根毛に異常集積することなどを明らかにしている。
従来から生理学的に鉄欠乏下では、地上部（や地下部？）で亜鉛、マンガン、銅などが集積することが明らかにされていたが、このような元素分布の現象を根の組織の縦断面や横断面などの細胞レベルでの分布として明らかにしようとするものである。
以下に 要旨 と まえがき のみを訳した。
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シロイヌナズナの根におけるイオン分布の細胞種特異的マッピング
Cell type-specific mapping of ion distribution in Arabidopsis thaliana roots
Ricardo F. H. Giehl 1 , Paulina Flis 2, Jörg Fuchs 1, Yiqun Gao 2, David E. Salt 2 & Nicolaus von Wirén1Leibniz-Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) OT Gatersleben, 06466 Seeland, Germany. 2Future Food Beacon of Excellence & School of Biosciences, University of Nottingham, Nottingham LE12 5RD, UK. e-mail: giehl@ipk-gatersleben.de; vonwiren@ipk-gatersleben.de
Nature Communications | ( 2023) 14:3351
要旨
根が栄養分や有害元素を地上部とどのように分配しているかを完全に理解するためには、元素分布の細胞タイプ別マッピングが不可欠である。
本研究では、蛍光活性化セルソーティング（FACS）と誘導結合プラズマ質量分析（ICP-MS）を組み合わせた方法を開発し、シロイヌナズナの根の中の異なる細胞集団のイオノームを評価した。
本手法により、ほとんどの元素が根皮から内細胞層に向かって増加する放射状の濃度勾配を示すことが明らかになり、導管への積み下ろしの乱れに起因するこれまで知られていなかったイオノーム変化を検出した。
また、この手法により、鉄欠乏根のtrichoblast(三葉芽細胞?)におけるマンガンの強い蓄積を確認した。
我々は、マンガンを内胚葉細胞ではなく三葉芽細胞に閉じ込めることで、根のマンガンを効率的に保持し、その結果、地上部での毒性を防ぐことができることを示した。
この結果は、根における効率的な金属隔離のための細胞タイプ特異的な制約の存在を示すものである。
このように、私たちのアプローチは、植物における元素の局在と輸送経路を調べる道を開いたといえる。
まえがき
植物の根は、地上部の組織に水やミネラル成分を供給するほか、ミネラル成分の選択、濃縮、保持にも重要な役割を果たし、地上部が必要とする元素の種類や量を調整する。
根は、地上組織に水やミネラル元素を供給するほか、地上部が必要とする元素の種類と量を調整するために、ミネラル元素の選択、濃縮、保持に重要な役割を果たす。
このような元素に特化した機能を果たすために、根は、様々なイオン輸送体を発現しており、様々なミネラル元素の細胞内への取り込み、排出、コンパートメント化を仲介している。
ほとんどのイオントランスポーターは、組織や細胞種に特異的な局在パターンを示し、根の発達段階や内部シグナル、外部からの指示の変化に強く依存する。
このような局在パターンは、根の縦軸と横軸にそって、異なる要素を明確に分布させ、最も重要な輸送経路を決定すると考えられている。
しかし、イオン輸送体の局在と輸送経路の関連性を評価・理解することは、多くの輸送体が単一の元素に特異的でないことや、細胞レベルでの元素濃度の定量が困難であることから困難である。
この数十年、植物組織における元素分布を調べるために、蛍光X線顕微鏡（XRF）、粒子誘起X線発光（microPIXE）、ナノスケール二次イオン質量分析（NanoSIMS）など、一連のバイオイメージング技術が開発されてきた。
しかし、これらの方法は一般的に半定量的であり、複雑な試料調製を必要とし、ほとんどの研究所では利用できない高度な専門機器を必要とする。また、元素の分布は、元素に感応する色素8や蛍光色素9、あるいは遺伝的にコード化された蛍光バイオセンサーを用いて可視化することもできる。
しかし、化学センサーや分子センサーの特異性により、同じ組織で複数の元素を分析することができない。また、感度はセンサーによって大きく異なる。
周期律表のほとんどの元素を高感度で定量できる最適な方法は、誘導結合プラズマ質量分析法（ICP-MS）である。
この技術は、様々な植物種の突然変異体や遺伝的に多様な天然アクセッションのハイスループット多要素プロファイリングに成功し、植物のイオノームを制御するいくつかの遺伝子の発見につながった。 しかし、ICP-MSは高感度であるにもかかわらず、そのほとんどが全組織サンプルに限定されている。
この制約は、生体試料をICP-MS装置のプラズマに導入する必要があるためで、一般的には、試料注入前に組織を酸溶液で完全に消化することで達成される。
この制約を回避するために、レーザーを使って固定された組織から関心領域を切り離すことができる。
この方法では、レーザーで誘導されたエアロゾルが直接、ICP-MSに移動する。
ICP-MSに直接導入することで、選択した細胞や組織中の複数の元素を空間的に分解してマッピングすることができる。
レーザーアブレーションとICP-MSの組み合わせ（LA-ICP-MS）は、もともと人工的に脱水したサンプルや自然に乾燥した組織の分析に限定されていたが、サンプル調製の改善により、最近では大麦やシロイヌナズナの新鮮な根における元素分布のマッピングに利用できるようになった。
しかし、シンプラストとアポプラストにおける元素濃度は、この手法では明確に区別することができない。
レーザーアシストマイクロダイセクションに代わる手法として、ICP-MS分析の前に蛍光活性化セルソーティング(FACS)を用いて
ICP-MS分析前に蛍光タンパク質(FP)を発現させた細胞を分離する。
これまでの研究で、選別されたプロトプラストを用いて、A. thalianaの根のトランスクリプトーム、small RNAプロファイル、プロテオーム、DNAメチロームを高い空間分解能で評価することにすでに成功している。
また、FACSを用いたプロトプラストソーティングは、高分解能質量分析計と組み合わせて、代謝物や植物ホルモンの分析にも利用されている。これらの研究により、細胞種特異的な遺伝子発現やタンパク質の蓄積パターンが存在し、それが最終的に多くの生物学的プロセスの空間的コンパートメントや、いくつかの代謝物や植物ホルモンの個別的な分布につながることが明らかになった。
興味深いことに、鉄（Fe）欠乏に曝されたA. thalianaの根のすべての放射状ゾーンのFP発現プロトプラストを選別したトランスクリプトミクスでは、Feの取り込み、貯蔵、シグナル伝達に関わる遺伝子群が細胞種特異的に欠乏に応答していることが明らかになった。
したがって、FACS支援ICP-MS分析の開発により、特定の細胞集団の元素組成とその転写産物やプロテオームとの関連付けができる可能性がある。
本研究では、A. thalianaの根の異なる細胞タイプに由来する選別されたプロトプラストの多元素分析法を確立した。
この新しいFACS-ICP-MS法を用いて、細胞種に特異的な元素分布と、また、根の細胞外層と細胞内層の間に急峻な濃度勾配が存在することを明らかにした。
さらに、本手法は、これまで知られていなかった導管負荷過程の障害による元素分布の変化を明らかにし、植物が限られた鉄利用率にさらされた場合に根毛細胞にマンガン（Mn）が顕著に蓄積することを確認した。
また、根におけるMnの効率的な貯留には、細胞タイプに応じた液胞負荷が必要であることが示された。