ストロミュールの再発見

葉緑体は植物細胞の細胞質に浮かぶ緑色のカプセルとして図に描かれることが多い．そのような静的なイメージとは異なり，実際の葉緑体は細胞内を動き回り，形を変え，分裂による増殖を行うダイナミックな存在である．高等植物においては，葉緑体は分裂組織中の原色素体が分化する形で生じる．原色素体は細胞の分化に応じてクロモプラスト，エチオプラスト，アミロプラストなど様々な分化型に変化する．これらの原色素体由来のオルガネラは状況に応じて相互変換が可能であることから「色素体（プラスチド）」と総称される．色素体は，機能の特殊化に対応して外形，内部の膜系，含有色素，プロテオームを変化させる⁽¹⁾1) M. M. Altamura, D. Piacentini, F. D. Rovere, L. Fattorini, A. Valletta & G. Falasca: Plant Biosyst., 158, 894 (2024).．

色素体の形態の多様性は，古くは19世紀後期の文献にも記載が見られる⁽²⁾2) M. H. Schattat, K. A. Barton & J. Mathur: Protoplasma, 252, 359 (2015).．葉緑体がシアノバクテリア（藍藻）起源であること，また，葉緑体が既存の葉緑体の分裂によってのみ生じること（“葉緑体の連続性”）を提唱した，葉緑体細胞内共生説の始祖とも言うべきAndreas Schimperは，1883年の論文において，球状，棒状，針状，紡錘状など，様々な形態の色素体をスケッチとして記録している⁽³⁾3) A. F. W. Schimper: Bot. Zeit., 41, 105 (1883).．Schimperの論文も含め，1900年前後のいくつかの論文において，色素体と色素体とが細い管のようなものでつながっている様子が描かれている．この細管状構造が脚光を浴びるのは，Wildmanらによる1962年のScience掲載論文まで待たなければならなかった⁽⁴⁾4) S. G. Wildman, T. Hongladarom & S. I. Honda: Science, 138, 434 (1962).．Wildmanらは，当時としては画期的であった顕微鏡動画撮影法により生きた植物細胞を観察し，葉緑体が細胞質に向かって細管状構造を伸ばす様子を捉えた．彼らは葉緑体由来の細管状構造とミトコンドリアとの形態類似性を指摘し，ミトコンドリアが葉緑体から生じる構造物であることをほのめかした．今日的に見ればこの見解は誤りであり，それも一因としてあったのか，その後，色素体から伸びる細管状構造についての研究進展は見られなかった．

1997年，色素体の細管状構造はHansonらによるScience掲載論文で35年ぶりに注目を集めた⁽⁵⁾5) R. H. Köhler, J. Cao, W. R. Zipfel, W. W. Webb & M. R. Hanson: Science, 276, 2039 (1997).．この研究においては，色素体移行シグナルと緑色蛍光タンパク質（GFP）との融合タンパク質を植物細胞内で発現させることにより，色素体のストロマ部分にGFPを送り込み，緑色蛍光によって色素体形態を可視化した．こうして，色素体の本体部分から1～数本伸びる細管状構造が再発見された．GFPはストロマ内に存在するはずであるから，この構造はストロマを含み，かつ，色素体本体と連続的に2枚の膜（内包膜と外包膜）で包まれた管でなければならない（図1図1■ストロミュール）．Hansonらは2000年の続報において，この構造物にstroma filled tubule（ストロマで満たされた管）を意味する「ストロミュール（stromule）」という名を与えた⁽⁶⁾6) R. H. Köhler & M. R. Hanson: J. Cell Sci., 113, 81 (2000).．

図1■ストロミュール

（左上）葉緑体の模式図と各部位の名称．（右上）シロイヌナズナの孔辺細胞葉緑体の電子顕微鏡像．矢尻：ストロミュール．スケールバー: 1 µm.（下）ストロマ局在性蛍光タンパク質（YFP）を発現するシロイヌナズナの葉肉葉緑体の蛍光顕微鏡像．左から，ストロマ蛍光像，クロロフィル蛍光像，および明視野像．スケールバー: 2 µm.

ストロミュールの基本性状・動態

多くの場合，ストロミュールは直径0.3–0.8 µm程度，長さとしてはくちばし状の突起程度のもの（～2–3 µm）から200 µm程度に達するものまで観察されるが，サイズについての厳密な定義は無い．また，色素体本体どうしをつなぐ細管（狭窄部）をストロミュールに含める見解と，色素体本体から伸びた，自由末端をもつ細管のみをストロミュールとする見解とがある⁽²⁾2) M. H. Schattat, K. A. Barton & J. Mathur: Protoplasma, 252, 359 (2015).．色素体の種類やストロミュールの形状（後述）によっては色素体「本体」の判別がしばしば困難であるため，本稿では前者の見解に従い，色素体が形成する細管を特に区別せずストロミュールと呼ぶこととする．

ストロミュールはその定義上ストロマを含む管であるが，より具体的には，少なくとも550 kDaのタンパク質（RuBisCO）までは含みうることが示されている⁽⁷⁾7) E. Y. Kwok & M. R. Hanson: J. Exp. Bot., 55, 595 (2004).．リボソームはストロミュールには進入しないことが示唆されているが⁽⁸⁾8) C. A. Newell, S. K. A. Natesan, J. A. Sullivan, J. Jouhet, T. A. Kavanagh & J. C. Gray: Plant J., 69, 399 (2012).，排斥の仕組みは不明である．また，葉緑体から伸びるストロミュールであってもチラコイドは含まれておらず，葉緑体本体のようにクロロフィルの自家蛍光によって観察することはできない．ストロミュール内のタンパク質輸送については，蛍光相関分光法（FCS）を用いた解析がなされており，遅い拡散（～10⁻⁸ cm²/s）とATP依存性の速い能動輸送（0.12 µm/s）の2つのモードが存在することが示されている⁽⁹⁾9) R. H. Köhler, P. Schwille, W. W. Webb & M. R. Hanson: J. Cell Sci., 113, 3921 (2000).．

ストロミュールの基本的な動態は，Gunningによる微分干渉顕微鏡を用いた徹底的なタイムラプス観察⁽¹⁰⁾10) B. E. S. Gunning: Protoplasma, 225, 33 (2005).により，大きくは以下のようにまとめられている（図2図2■ストロミュールの運動・形態変化）: ①伸長と退縮，②（他の構造物との接着による）折れ曲がりと引き伸ばし，③枝分かれ，④先端からの小胞放出，⑤他の色素体との接続．また，ストロミュール中に1ないし複数個の膨らみ（同論文では“beads”と呼ばれている）が形成され，それらがストロミュールに沿って移動する様子も観察される^{(10, 11)}10) B. E. S. Gunning: Protoplasma, 225, 33 (2005).11) M. T. Fujiwara, H. Hashimoto, Y. Kazama, T. Hirano, Y. Yoshioka, S. Aoki, N. Sato, R. D. Itoh & T. Abe: Protoplasma, 242, 19 (2010).．この“beads”の移動が先述のATP依存性能動輸送に対応する挙動であるかもしれない．ところで，⑤「他の色素体との接続」については注釈が必要である．そもそもHansonらによるストロミュールの再発見論文⁽⁵⁾5) R. H. Köhler, J. Cao, W. R. Zipfel, W. W. Webb & M. R. Hanson: Science, 276, 2039 (1997).の表題（和訳）は「高等植物の葉緑体間の接続を通じたタンパク質分子の交換」であり，光退色後蛍光回復（FRAP）におけるGFP蛍光の強度変化のみを「接続」の根拠としている．これに対しSchattatらは，色素体を光変換性蛍光タンパク質（mEosFP）で標識することにより，ストロミュールで接続しているように見える2個の色素体のストロマを別色で「塗り分ける」ことにより，片方の色素体から伸びたストロミュールが他の色素体の表面に接着しているだけで，中身（ストロマ）の混ざり合いをもたらすような膜融合は起きていないと主張した⁽¹²⁾12) M. H. Schattat, S. Griffiths, N. Mathur, K. A. Barton, M. R. Wozny, N. Dunn, J. S. Greenwood & J. Mathur: Plant Cell, 24, 1465 (2012).．彼らは後続の論文において「ストロミュールによる色素体の接続」という概念を“The myth of interconnected plastids”（接続した色素体の神話）という言葉をその表題に用いてまで痛烈に批判している⁽²⁾2) M. H. Schattat, K. A. Barton & J. Mathur: Protoplasma, 252, 359 (2015).．批判を受けたHansonらも，mEosFPを用いたSchattatらの結果は不適当な観察条件設定によるアーティファクトに過ぎない，とする反論を発表している^{(13, 14)}13) M. R. Hanson & A. Sattarzadeh: Plant Cell, 25, 2774 (2013).14) M. R. Hanson & K. M. Hines: Plant Physiol., 176, 128 (2018).．Schattatら⁽²⁾2) M. H. Schattat, K. A. Barton & J. Mathur: Protoplasma, 252, 359 (2015).も指摘していることだが，実際には1個である色素体が変形して，2個の色素体がストロミュールでつながっているように見える場合（分裂時の色素体や，ストロミュールの“beads”が肥大化した場合など）も多いことから，「ストロミュールによる色素体の接続」の真偽を検証することは決して容易でなく，上記の論争に決着はついていない．

図2■ストロミュールの運動・形態変化

生体内のストロミュールは秒・分単位で可逆的に形を変える．図では，観察例が多い代表的なものを模式的に示す．

ストロミュールの発達条件

ストロミュールの再発見以降，その機能を解明しようとする流れの中でまず研究が進められたのは，ストロミュール形成が促進される条件についてである．主に2010年代初頭までの研究により，以下の条件がストロミュール形成に影響することが明らかにされていった．

2. 細胞／色素体の分化状態

葉肉細胞の葉緑体は，非緑色（非光合成）色素体と比較して，ストロミュールの発生頻度が低い（図3図3■さまざまな色素体で観察されるストロミュール）⁽⁶⁾6) R. H. Köhler & M. R. Hanson: J. Cell Sci., 113, 81 (2000).．また，脱分化した培養細胞においてはストロミュールの高度な発達が見られる⁽⁶⁾6) R. H. Köhler & M. R. Hanson: J. Cell Sci., 113, 81 (2000).．

図3■さまざまな色素体で観察されるストロミュール

ストロマ局在性蛍光タンパク質を発現するシロイヌナズナの生組織の蛍光顕微鏡像．（上段）ストロマ（緑）とクロロフィル（赤）の二重蛍光像．（下段）明視野像．葉の海綿状組織と気孔，根の表皮，珠皮の4つの組織の観察像を示す．ストロマの蛍光シグナルが弱く，緑色が抜けた部分には，デンプン粒などの構造物が存在している場合が多い．矢尻：ストロミュール．スケールバー: 10 µm.

植物免疫とストロミュール

ストレスとストロミュールの関係についての研究の中で，近年特に注目を集めているのが植物免疫におけるストロミュールの役割である．これは，Caplanらによる画期的な論文⁽²²⁾22) J. L. Caplan, A. S. Kumar, E. Park, M. S. Padmanabhan, K. Hoban, S. Modla, K. Czymmek & S. P. Dinesh-Kumar: Dev. Cell, 34, 45 (2015).の発表を契機としている．タバコモザイクウイルスのエフェクターp50および植物病原性細菌Xanthomonas campestrisのエフェクターAvrBS2とその受容体BS2が植物における過敏感反応プログラム細胞死（HR-PCD）を活性化することが知られていたが，これらがストロミュールの過剰形成を誘導することがこの論文で初めて示された．この時，形成されたストロミュールは核膜と高頻度で接着していることも明らかにされた．また，この論文では，色素体外包膜タンパク質CHUP1の発現を抑制するとストロミュールが過剰形成し，同時にHR-PCDを過剰促進することも示された．以上の結果は，ウイルスおよび細菌の感染時に起こるストロミュール形成が植物免疫応答の二次的効果として起こっているのではなく，応答経路の一部として組み込まれていることを示唆している．さらに，X. campestrisのエフェクターXopLはストロミュール形成を抑制することが後年報告され⁽²³⁾23) J. L. Erickson, N. Adlung, C. Lampe, U. Bonas & M. H. Schattat: Plant J., 91, 430 (2018).，エフェクターはストロミュール形成を正負の両方向に制御しうることが示された．

Caplanらはさらに，p50で誘起される防御反応において，色素体から核へのH₂O₂およびNRIP1（色素体局在性防御タンパク質）⁽²⁴⁾24) J. L. Caplan, P. Mamillapalli, T. M. Burch-Smith, K. Czymmek & S. P. Dinesh-Kumar: Cell, 132, 449 (2008).の移動が起こることを精巧な実験戦略を用いて実証した．ストレス誘導性の色素体–核間タンパク質移動は，防御応答遺伝子の発現制御因子NPR1においても観察された⁽²⁵⁾25) S. Seo, Y. Kim & K. Park: Antioxidants, 12, 1118 (2023).．これらの結果を総合すると，植物のストレス応答中に，色素体から核へのレトログレードシグナル分子の輸送経路としてストロミュールが機能している可能性が示唆される．2枚の膜で囲まれた色素体／ストロミュール内のシグナル分子が同じく2枚の膜で囲まれた核の内部へと移行する仕組みについては，未解明の問題として残されている．

ストロミュールを介した植物免疫応答については，上述のエフェクター誘導免疫（ETI）に加えてパターン誘導免疫（PTI）に関しても次々と新たな知見が出てきており⁽²⁶⁾26) Z. Savage, C. Duggan, A. Toufexi, P. Pandey, Y. Liang, M. E. Segretin, L. H. Yuen, D. C. A. Gaboriau, A. Y. Leary, Y. Tumtas et al.: Plant J., 107, 1771 (2021).，関連因子の相互作用の全体図式は入り組んだものとなってきている⁽²⁷⁾27) J. Liu, P. Gong, R. Lu, R. Lozano-Durán, X. Zhou & F. Li: Mol. Plant, 17, 686 (2024).．紙幅の都合上，詳細は最近の総説に譲る⁽²⁸⁾28) S. Jung, J. Woo & E. Park: Curr. Opin. Plant Biol., 79, 102529 (2024).．

ストロミュールの形成機構

植物免疫へのストロミュールの関与が実証されたことにより，ストロミュールの形成機構への関心が高まり，同時に，エフェクター分子の一過的発現を用いてストロミュール形成を人為的に制御し，その形成・伸長のダイナミクスを詳細に観察する実験系が確立されていった．

ストロミュール過剰形成変異体

葉緑体分裂の分子機構の解明においては，90年代初期にPykeらによって取得されたシロイヌナズナ葉緑体分裂変異体（arc変異体）が多大な貢献を果たした⁽¹⁹⁾19) K. A. Pyke & R. M. Leech: Plant Physiol., 99, 1005 (1992).．もともと葉緑体分裂の研究に従事してきた筆者らがストロミュール研究を開始した2008年頃までにはストロミュール変異体の取得報告がなかったことから，Pykeらに倣って顕微鏡観察によるシロイヌナズナ変異体の選抜を開始した．シロイヌナズナの色素体ストロマCFP標識株の種子に対して変異誘発処理を行い，自殖第2世代の約6,700個体の葉表皮色素体を蛍光顕微鏡で観察した．その結果，ストロミュールが高頻度に生じ，かつ，過剰伸長した変異体を2ライン取得した．得られた2つの変異体をsuba（stromule biogenesis altered）変異体と名付けて遺伝子同定など解析を進めた．

suba2変異体の葉肉細胞では，葉緑体の巨大化と数の減少，分裂面の多重形成など，葉緑体分裂異常を示していた⁽³⁶⁾36) R. D. Itoh, H. Ishikawa, K. P. Nakajima, S. Moriyama & M. T. Fujiwara: Physiol. Plant., 162, 479 (2018).．実際，suba2の原因変異は既知の葉緑体分裂位置決定因子PARC6の遺伝子中に存在していた．この結果は，葉肉葉緑体の分裂因子が非葉肉色素体の形態維持の役割も担っているという従来の考えを支持するものであった．

これに対してsuba1変異体では，葉肉細胞葉緑体の綿密なサイズ・数の計測を行っても野生型との有意な差は見られず，葉肉葉緑体の分裂変異体では無いことが確証された⁽³⁷⁾37) R. D. Itoh, K. P. Nakajima, S. Sasaki, H. Ishikawa, Y. Kazama, T. Abe & M. T. Fujiwara: Plant J., 107, 237 (2021).．一方，葉表皮，胚軸表皮，花の各組織，花粉など，観察した様々な組織・細胞においてストロミュール過剰形成を主とした色素体形態異常が見られた（図4図4■シロイヌナズナsuba1変異体におけるストロミュール形成の活性化）．このような表現型それ自体が，葉肉葉緑体と非葉肉色素体とで形態制御の分子機構が明確に異なることを示している．suba1の原因変異は，色素体の2枚の包膜に跨る形で局在するTGD複合体のサブユニットの1つ，TGD5の遺伝子中に存在していた．TGD複合体は，ERから色素体への脂質輸送を担っていると考えられており，TGD1–5の5種のサブユニットから構成される．本変異体の発見により，ERからの脂質輸送という新たな観点をストロミュール形成機構の研究に付け加えることができたと考えている．

図4■シロイヌナズナsuba1変異体におけるストロミュール形成の活性化

ストロマ局在性蛍光タンパク質（CFP）を発現するシロイヌナズナの葉表皮葉緑体の蛍光顕微鏡像．（左上）野生型バックグラウンド．（右上および下）suba1変異体．表皮細胞では葉緑体本体の変形・肥大も見られる．スケールバー: 10 µm.

おわりに

細胞生物学は，細胞内に形成される構造物の機能を解き明かし，また，その形成機構を明らかにしてきた．ストロミュールは，140年以上も前からその存在が認識された，様々な陸上植物細胞で見られる普遍的な構造であるにもかかわらず，機能も形成機構も長らく不明であり，細胞生物学における稀有な未開拓領域であった．Brunkardらは2015年の論文⁽³⁸⁾38) J. O. Brunkard, A. M. Runkel & P. C. Zambryski: Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 112, 10044 (2015).において，ストロミュールを“a fundamental mystery of plant cell biology”と形容している．奇しくも2015年以降，植物免疫への関与やストロミュール誘導キネシンなどの重要な発見が相次いでおり，“mystery”は今まさに解かれつつある．