Function and dynamics of organelles are flexibly modified responding various cell events, environmental changes and external stimuli. These modifications are accompanied by organelle interactions, and single membrane-bound organelles are interconnected by the membrane trafficking system. Membrane trafficking system requires pathway-specific key regulators, which include a coat complex, RAB GTPase and SNARE. Compartmentalization and expansion of gene families encoding such key regulators led to establishment of diversification of the endomembrane system in extant taxa from prokaryote. Some membrane traffic pathway should be common among eukaryotes, while some should be specific in particular lineages with lineage-specific key regulators. And the lineage-specific pathway should have a functional role in life strategy of the particular lineages.

Plants have a plant-specific RAB GTPase, ARA6, belonging to RAB5 subfamily and whose homologs are highly conserved especially among land plants. In Arabidopsis thaliana, ARA6 regulates transport from endosomes to the plasma membrane while other RAB5 members act in the traffic to vacuoles from endosomes, and this ARA6 pathway is involved in the salinity stress response. Then, the question is whether this function is conserved among land plants. There are various morphology and lifestyles, and ARA6 might have changed its function in A. thaliana. To answer this question, Marchantia polymorpha was chose as the experimental material.

M. polymorpha is a key model plant because of its important location in evolutionary studies; the liverwort is one of most basal groups of land plants. With establishment of technology of agrobacterium-mediated transformation and proceeding genome project, the research field using M. polymorpha is now rapidly expanding, which includes taxonomy, evolution, morphology, photoresponse, genetics, and secondary metabolism. To develop the infrastructure of cell biology of M. polymorpha, I have visualized organelles and actin microfilaments of M. polymorpha with mainly using live imaging technology. Fluorescent protein-fused SNAREs and Rabs were used as organelle markers and Liveact-Venus as an AF marker. There are some unique features in their structures and moving. For example, actin microfilaments show myosin-dependent sliding movement, which was affected by microtubule stability.

ARA6 homolog in M. polymorpha (MpARA6) labeled a group of multivesicular endosomes like Arabidopsis ARA6. GTP-fixed MpARA6, however, accumulated on the plastid outer envelope, suggesting its role in the trafficking pathway to plastids unlike Arabidopsis ARA6. The mpara6 knock-out mutants exhibited abnormal phenotypes under some stress conditions, indicating that while functions of ARA6 homologs in membrane traffic are diverged among land plant lineages, they conserve common physiological functions in stress responses.

The trafficking pathway from endosomes to plastids regulated by MpARA6 is obviously a specific transport pathway to plants. This study is the first report of RAB GTPase which is responsible for transport to the double membrane bounded organelle, and recommends to use some model materials for understanding of plant evolution and environmental adaptation.

本論文はイントロダクション,3章からなる主編,ディスカッションからなる.イントロダクションでは,真核生物における膜交通経路の複雑化と膜交通制御因子の関連についての概論,また,陸上植物において広く保存されている膜交通制御因子であるARA6の機能解析のために,基部陸上植物であるゼニゴケを研究材料とする旨が述べられている.第1章では,ゼニゴケにおいて,様々なオルガネラや細胞骨格を可視化,観察した結果が述べられており,ゼニゴケ特有のアクチン繊維の滑り運動や液胞の形態について報告している.第2章では,第1章で示されたアクチン繊維の滑り運動と微小管の関係について調べられており,ゼニゴケのアクチン繊維の運動に対し,微小管が抑制的な制御を行っていることが明らかにされている.第3章では,ゼニゴケにおける植物特異的Rab GTPase,ARA6の機能解析について述べられており,ゼニゴケのARA6(MpARA6)がエンドソームから色素体への輸送経路で機能していることが示唆されている.

本論文は,新進のモデル植物であるゼニゴケの細胞生物学的研究の基盤を世界に先駆けて構築したものであり,高い評価を受けるべきものである.また先行研究により,ARA6はシロイヌナズナにおいてエンドソームから細胞膜への輸送を制御し,非生物的ストレスへの耐性に関与していることが示されていたが,本論文ではゼニゴケにおいてMpARA6が,シロイヌナズナとは異なる輸送経路で機能しているにも関わらず,やはり非生物的ストレス耐性に関与していることが示されている.このことは,細胞レベルでは異なるはたらきをもつRab GTPaseが共通の生理現象に関わることを示しており,非常に重要な発見と言える.同時に,これまで膜交通システムとは独立のものと考えられていた色素体への物質輸送において,Rab GTPaseが制御する膜交通システムが関与していることを示す発見は,新規性,インパクトともに非常に高い.

なお,本論文第1章の一部は富永基樹、海老根一生,粟井千絵,齊藤知恵子,石崎公庸,大和勝幸,河内孝之,中野明彦,上田貴志との共同研究,第2章は朽名夏麿,桧垣匠,馳澤盛一郎,中野明彦,上田貴志との共同研究であるが,論文提出者が主体となって実験及び検証を行ったもので,論文提出者の寄与が十分であると判断する.

したがって,博士(理学)の学位を授与できると認める.