Origin and evolution of a sex determination region in the chromosome: the lineage of primitive marine multicellular-algae, the family Ulvaceae

• Project/Area Number: 17H03705
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Morphology/Structure
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Kawano Shigeyuki 東京大学, フューチャーセンター推進機構, 特任研究員 (70161338)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 宮村 新一 筑波大学, 生命環境系, 准教授 (00192766) ; 桑野 和可 長崎大学, 水産・環境科学総合研究科(水産), 教授 (60301363)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2019: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2018: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2017: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
• Keywords: ゲノム / 交配型 / 雌雄性 / アオノリ / 非対称性 / 性決定領域 / Ulva partita / Ulva prolifera / 母性遺伝 / 同形配偶子接合 / 微生物・藻類形態

Outline of Final Research Achievements

Ulva partita and U. prolifera, which belong to the class Ulvophyceae, have evolved their male and female gametes slightly from homomorphic to heteromorphic. When our eyes are turned to the unique trait of left-right asymmetry from the quantitative but fluctuate trait as a size, the positions of the eyespot and the conjugation device are reversed in males and females. There is such a left-right asymmetry even before the difference in size between males and females. Does sex mean this asymmetry? Is it related to the maternal inheritance of organelles? We approached the origin and evolution of sex determination by using the mating type (MT) region revealed by genome analysis.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

アオサやアオノリはふりかけ海苔などに加工されることもあって日本人には馴染み深い。海でこれらの海藻を手に取って見ると、細胞が二層膜状に並んだものと一層チューブ状のものとがあり、前者をアオサ、後者をアオノリと呼んでいる。細胞が二層か一層かで食感や香りに大きな違いが生じる。一方、海水の富栄養化などが原因で、アオサやアオノリが大量繁殖すると緑潮（グリーンタイド）となる。2008年の北京五輪セーリングコースに押し寄せた大量の海藻は記憶に新しい。その原因は冨栄養化だけでなく、アオサやアオノリが性を喪失し不稔化するところが大きいことがわかってきている。それは本研究の主要テーマに直結することでもある。

Research Products

• [Journal Article] The <i>Parachlorella</i> Genome and Transcriptome Endorse Active RWP-RK, Meiosis and Flagellar Genes in Trebouxiophycean Algae (2019)
  • Author(s): Ota, S., Oshima, K., Yamazaki, T., Takeshita, T., Bisova, K., Zachleder, V., Hattori, M. and Kawano, S.
  • Journal Title: CYTOLOGIA Volume: 84 Issue: 4 Pages: 323-330
  • DOI: 10.1508/cytologia.84.323
  • NAID: 130007769499
  • ISSN: 0011-4545, 1348-7019
  • Year and Date: 2019-12-25
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ultrafast simultaneous Raman-fluorescence spectroscopy. (2019)
  • Author(s): Lindley, M., Hiramatsu, K., Nomoto, H., Shibata, F., Takeshita, T., Kawano, S. and Goda, K.
  • Journal Title: Anal. Chem. Volume: 91 Pages: 15563-15563
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Asexual thalli originated from sporophytic thalli via apomeiosis in the green seaweed Ulva. (2019)
  • Author(s): Ichihara, K., Yamazaki, T., Miyamura, S., Hiraoka, M. and Kawano, S.
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 9 Issue: 1 Pages: 13523-13523
  • DOI: 10.1038/s41598-019-50070-x
  • NAID: 120007163346
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Three-dimensional ultrastructure and hyperspectral imaging of metabolite accumulation and dynamics in Haematococcus and Chlorella. (2019)
  • Author(s): Ota, S. and Kawano, S.
  • Journal Title: Microscopy Volume: 68 Issue: 1 Pages: 57-68
  • DOI: 10.1093/jmicro/dfy142
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Independent regulation of the lipid and starch synthesis pathways by sulfate metabolites in the green microalga Parachlorella kessleri under sulfur starvation conditions. (2018)
  • Author(s): Yamazaki, T., Konosu, E., Takeshita, T., Hirata, A., Ota, S., Kazama, Y., Abe, T., Kawano, S.
  • Journal Title: Algal Res. Volume: 36 Pages: 37-47
  • DOI: 10.1016/j.algal.2018.09.022
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Comparison of lipid productivity of Parachlorella kessleri heavy-ion beam irradiation mutant PK4 in laboratory and 150-L mass bioreactor, identification and characterization of its genetic variation. (2018)
  • Author(s): Takeshita, T., Ivanov, I. N., Oshima, K., Ishii, K., Kawamoto, H., Ota, S., Yamazaki, T., Hirata, A., Kazama, Y., Abe, T., Hattori, M., Bisova, K., Zachleder, V. and Kawano, S.
  • Journal Title: Algal Res. Volume: 35 Pages: 416-426
  • DOI: 10.1016/j.algal.2018.09.005
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Carotenoid dynamics and lipid droplet containing astaxanthin in response to light in the green alga Haematococcus pluvialis (2018)
  • Author(s): Ota Shuhei、Morita Aya、Ohnuki Shinsuke、Hirata Aiko、Sekida Satoko、Okuda Kazuo、Ohya Yoshikazu、Kawano Shigeyuki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Issue: 1 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1038/s41598-018-23854-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] High-Speed Video Analysis of the Flagellar Movement of Isogametes during Fertilization of the Marine Green Macroalga, <i>Chaetomorpha spiralis</i> (Ulvophyceae, Chlorophyta) (2018)
  • Author(s): Miyamura, S., Nomura, M., Mitsuhashi, F. and Nagumo, T.
  • Journal Title: CYTOLOGIA Volume: 83 Issue: 1 Pages: 109-114
  • DOI: 10.1508/cytologia.83.109
  • NAID: 130006588551
  • ISSN: 0011-4545, 1348-7019
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Extraction and molybdenum blue-based quantification of total phosphate and polyphosphate in Parachlorella (2017)
  • Author(s): Ota Shuhei、Kawano Shigeyuki
  • Journal Title: BIO-PROTOCOL Volume: 7 Issue: 17 Pages: 1-5
  • DOI: 10.21769/bioprotoc.2539
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Morphological and physiological differences among cultivation lines of Undaria pinnatifida in a common garden experiment using a tank culture system (2017)
  • Author(s): Sato Yoichi、Hirano Tomonari、Ichida Hiroyuki、Murakami Motoko、Fukunishi Nobuhisa、Abe Tomoko、Kawano Shigeyuki
  • Journal Title: Journal of Applied Phycology Volume: 29 Issue: 5 Pages: 2287-2295
  • DOI: 10.1007/s10811-017-1170-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Genomic structure and evolution of the mating type locus in the green seaweed Ulva partita (2017)
  • Author(s): Yamazaki Tomokazu、Ichihara Kensuke、Suzuki Ryogo、Oshima Kenshiro、Miyamura Shinichi、Kuwano Kazuyoshi、Toyoda Atsushi、Suzuki Yutaka、Sugano Sumio、Hattori Masahira、Kawano Shigeyuki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Issue: 1 Pages: 11679-11679
  • DOI: 10.1038/s41598-017-11677-0
  • NAID: 120007134814
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effect of water velocity on Undaria pinnatifida and Saccharina japonica growth in a novel tank system designed for macroalgae cultivation (2017)
  • Author(s): Sato Yoichi、Yamaguchi Masaki、Hirano Tomonari、Fukunishi Nobuhisa、Abe Tomoko、Kawano Shigeyuki
  • Journal Title: Journal of Applied Phycology Volume: 29 Issue: 3 Pages: 1429-1436
  • DOI: 10.1007/s10811-016-1013-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Uptake of nitrogen and production of kainic acid by laboratory culture of the red alga Digenea simplex (2017)
  • Author(s): Jiang Shanshan、Kuwano Kazuyoshi、Nishihara Gregory N.、Urata Chisato、Shimoda Ryusuke、Takatani Tomohiro、Arakawa Osamu
  • Journal Title: Phycol. Res. Volume: 66 Issue: 1 Pages: 68-75
  • DOI: 10.1111/pre.12196
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] アポミクシスはスジアオノリの適応戦略に影響するか？ (2017)
  • Author(s): 市原健介・河野重行
  • Journal Title: BSJ-review Volume: 8 Pages: 141-151
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 高校生物と植物の性染色体 (2017)
  • Author(s): 風間裕介・石井公太郎・阿部知子・半本秀博・河野重行
  • Journal Title: 遺伝 Volume: 71 Pages: 262-268
• [Presentation] 日本沿岸域に生育する2種のアオノリの比較ゲノム解析 (2020)
  • Author(s): 山崎誠和、市原健介、桑野和可、宮村新一、河野重行
  • Organizer: 日本藻類学会第44回大会
• [Presentation] 海産緑藻の配偶子，動接合子，遊走子における眼点のサイズと生育環境との関係 (2020)
  • Author(s): 宮村新一、桑野和可、河野重行
  • Organizer: 日本藻類学会第44回大会
• [Presentation] 日本沿岸域に生育する2種のアオノリで起きたオルソログの分子進化 (2019)
  • Author(s): 山﨑誠和、市原健介、桑野和可、宮村新一、河野重行
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] 海産緑藻の配偶子，動接合子，遊走子における眼点のサイズと分布 (2019)
  • Author(s): 宮村新一、河野重行
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] Semi-in vitro アッセイ系を用いた母性遺伝における父方ミトコンドリアDNA分解の解析 (2019)
  • Author(s): 浦川直希、中村聡、岸本真理子、森山陽介、鈴木孝征、横川大輔、河野重行、東山哲也、佐々木成江
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] Exclusion and selection of male and female ogranelles during the developmental process from zygotes to the thallus in Ulva partita (2019)
  • Author(s): Kawano, S., Mogi, Y., Yamazaki, T., Miyamura, S., Kuwano, K.
  • Organizer: 7th European Phycological Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] An optimum condition for promoting growth and maturation at gametophyte stage of Undaria pinnatifida by optimal screening and application for the seedling production on industrial-scale (2019)
  • Author(s): Sato, Y., Oikawa, H., Kanematsu, K., Naka, H., Kawano, S.
  • Organizer: AlgalBBB 2019: The 9th International Conference on Algal Biomass
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 海産緑藻フトジュズモの動接合子と遊走子の鞭毛装置- 眼点の配置と協調的鞭毛運動の解析 (2019)
  • Author(s): 宮村 新一、野村 真未、南雲 保、稲葉 一男、河野 重行
  • Organizer: 日本藻類学会第43回大会、京都大学・吉田南キャンパス（京都市）
• [Presentation] アオサ藻綱アオサ目に属するショウジョウアオノリとスジアオノリの比較ゲノム解析 (2018)
  • Author(s): 山﨑 誠和、市原 健介、桑野 和可、河野 重行
  • Organizer: 日本植物学会第82回大会、広島国際会議場（広島県・広島市）
• [Presentation] アオノリの雌雄性と接合初期から葉状体発達過程における雌雄オルガネラの排除と選択 (2018)
  • Author(s): 佐藤 康太、市原 健介、大田 修平、山﨑 誠和、工藤 恭子、宮村 新一、平田 愛子、河野 重行
  • Organizer: 日本植物学会第82回大会、広島国際会議場（広島県・広島市）
• [Presentation] 母性遺伝におけるミトコンドリアDNA選択的消失に関与するヌクレアーゼの探索 (2018)
  • Author(s): 浦川 真希、中村 聡、岸本 真理子、森山 陽介、桑田 啓子、鈴木 孝征、横川 大輔、河野 重行、東山 哲也、佐々木 成江
  • Organizer: 日本植物学会第82回大会、広島国際会議場（広島県・広島市）
• [Presentation] ハイパースペクトラルイメージングと画像解析による微細藻類のモニタリングシステムの開発 (2018)
  • Author(s): 大貫 慎輔、大田 修平、河野 重行、大矢 禎一
  • Organizer: 日本植物学会第82回大会、広島国際会議場（広島県・広島市）
• [Presentation] アオノリ接合初期の細胞動態と葉状体発達過程における雌雄オルガネラの排除と選択 (2018)
  • Author(s): 佐藤 康太、市原 健介、大田 修平、山崎 誠和、工藤 恭子、宮村 新一、平田 愛子、河野 重行
  • Organizer: 日本藻類学会第42回大会 東北大学・青葉山新キャンパス（宮城県・仙台市）
• [Presentation] 三陸産ワカメ優良系統開発と実用化に向けた取り組み (2018)
  • Author(s): 佐藤 陽一、萩原 亮、斎藤 大輔、中 裕之、柏谷 伸一、平野 智也、市田 裕之、福西 暢尚、阿部 知子、河野 重行、小野 克徳
  • Organizer: 日本藻類学会第42回大会 東北大学・青葉山新キャンパス（宮城県・仙台市）
• [Presentation] ワカメ配偶体および胞子体の生長最適条件の検討と種苗生産技術への活用 (2018)
  • Author(s): 佐藤 陽一、及川 浩生、最上谷 美穂、兼松 宏一、中 裕之、柏谷 伸一、遠藤 光、河野 重行
  • Organizer: 日本藻類学会第42回大会 東北大学・青葉山新キャンパス（宮城県・仙台市）
• [Presentation] 海産緑藻フトジュズモの動接合子、遊走子における眼点と鞭毛の配列と協調的鞭毛運動 (2017)
  • Author(s): 宮村新一、野村真未、南雲 保
  • Organizer: 日本植物学会第81回大会 東京理科大学・野田キャンパス（千葉県・野田市）
• [Presentation] 光刺激で応答するヘマトコッカス藻の細胞内色素とオイルの動態イメージング (2017)
  • Author(s): 大田 修平、森田 彩、関田 諭子、大貫 慎輔、平田 愛子、奥田 一雄、大矢 禎一、河野 重行
  • Organizer: 日本植物学会第81回大会 東京理科大学・野田キャンパス（千葉県・野田市）
• [Presentation] クロレラの内部倍数性機構の解明と鉄イオンビームによる染色体の分断化と再構成 (2017)
  • Author(s): 石井 公太郎、浅野 円花、風間 裕介、佐々木 成江、東山 哲也、阿部 知子、河野 重行
  • Organizer: 日本植物学会第81回大会 東京理科大学・野田キャンパス（千葉県・野田市）
• [Presentation] 性特異的な領域の構造と進化：一分子リアルタイムシークエンスによるアオサ藻ゲノムの解析 (2017)
  • Author(s): 山崎 誠和、市原 健介、桑野 和可、 河野 重行
  • Organizer: 日本植物学会第81回大会 東京理科大学・野田キャンパス（千葉県・野田市）
• [Presentation] アオサ藻Ulva partitaにおける一過的形質転換系の開発とゲノム編集の可能性 (2017)
  • Author(s): 鈴木 亮吾、大田 修平、市原 健介、山崎 誠和、桑野 和可、河野 重行
  • Organizer: 日本植物学会第81回大会 東京理科大学・野田キャンパス（千葉県・野田市）
• [Presentation] ハイパースペクトルおよび凍結割断法によるヘマトコッカス細胞の色素とオイル顆粒の光応答動態解析 (2017)
  • Author(s): 大田修平、森田彩、大貫慎輔、平田愛子、関田諭子、奥田一雄、大矢禎一、河野重行
  • Organizer: 本植物形態学会第29回大会 東京理科大学・野田キャンパス（千葉県・野田市）
• [Presentation] Endopolyploidy, fragmentation and reconstitution of chromosomes by the heavy-ion beam irradiation in Parachlorella kessleri (2017)
  • Author(s): S.Kawano, M.Asano, K.Ishii, Y.Kazama, T.Abe, T.Takeshita, S.Ota, T.Yamazaki, K.Bisova, V.Zachleder
  • Organizer: BioTech 2017 and 7th Czech-Swiss Symposium with Exhibition
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] KEGG pathway and transcriptome analyses under two conditions, sulfur deprivation and high light, accelerating starch and lipid accumulation in Parachlorella kessleri (2017)
  • Author(s): T.Takeshita, T.Yamazaki, S.Ota, M. Erata, S. Kawano
  • Organizer: BioTech 2017 and 7th Czech-Swiss Symposium with Exhibition
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 機能性バイオプロジェクト：研究紹介
  • URL: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/pls/research.html