Exploring the molecular basis for the emergence of inter-sexual communication associated with the evolution of male-female dimorphism

• Project/Area Number: 17K07510
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Evolutionary biology
• Research Institution: Hosei University (2020-2021); The University of Tokyo (2017-2019)
• Principal Investigator: Kawai-Toyooka Hiroko 法政大学, 生命科学部, 助手 (00442997)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2018: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2017: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 異型配偶化 / 有性生殖進化 / ボルボックス系列 / 性フェロモン / 配偶子認識 / 配偶子進化 / 性染色体領域 / 進化 / 有性生殖 / 配偶子

Outline of Final Research Achievements

The purpose of this study was to elucidate the evolutionary process of inter-sexual communication, which triggers gamete induction and subsequent fertilization through the union of an egg (produced by a female) and a sperm (produced by a male). This was achieved by focusing on volvocine green algae, a model lineage for investigating gamete dimorphism. The results suggested that, as previously reported in oogamous Volvox species, a proteinaceous sex pheromone was involved in inter-sexual communication during gamete induction in an anisogamous Eudorina, which is an organism at an intermediate evolutionary stage of male-female dimorphism. The findings of this study also indicated that FUS1, a glycoprotein that functions in gamete recognition in isogamous volvocine algae, may contribute to inter-sexual gamete recognition in anisogamous Eudorina.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究の成果により、ボルボックス系列の異型配偶生物では、(1)卵生殖生物と同様な性フェロモンタンパク質を介した配偶子誘導メカニズムが存在すること、(2)同型配偶生物と共通する因子が関与する配偶子認識メカニズムが存在する可能性が高いこと、を示した。そのため本研究は、配偶子の「異性間コミュニケーション」という観点での、異型配偶生物の中間段階としての性質を浮き彫りにし、今後のより詳細な解析の基盤を築いたといえる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ドナルドダンフォース植物科学センター(米国)
• [Int'l Joint Research] ドナルドダンフォース植物科学センター(米国)
• [Int'l Joint Research] ウェスタンオンタリオ大学(カナダ)
• [Int'l Joint Research] ドナルド・ダンフォース植物科学研究センター/カンザス州立大学/アリゾナ大学(米国)
• [Int'l Joint Research] ウィットウォータースランド大学(南アフリカ)
• [Int'l Joint Research] ウェスタンオンタリオ大学(カナダ)
• [Journal Article] Three genomes in the algal genus Volvox reveal the fate of a haploid sex-determining region after a transition to homothallism (2021)
  • Author(s): Kayoko Yamamoto, Takashi Hamaji, Hiroko Kawai-Toyooka, Ryo Matsuzaki, Fumio Takahashi, Yoshiki Nishimura, Masanobu Kawachi, Hideki Noguchi, Yohei Minakuchi, James G. Umen, Atsushi Toyoda, Hisayoshi Nozaki
  • Journal Title: The Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 118 Issue: 21
  • DOI: 10.1073/pnas.2100712118
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Three sex phenotypes in a haploid algal species give insights into the evolutionary transition to a self-compatible mating system (2021)
  • Author(s): Kohei Takahashi, Hiroko Kawai-Toyooka, Ryo Ootsuki, Takashi Hamaji, Yuki Tsuchikane, Hiroyuki Sekimoto, Tetsuya Higashiyama, Hisayoshi Nozaki
  • Journal Title: Evolution Volume: 75 Issue: 11 Pages: 2984-2993
  • DOI: 10.1111/evo.14306
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Morphological and molecular identification of the dioecious “African species Volvox rousseletii (Chlorophyceae) in the water column of a Japanese lake based on field-collected and cultured materials (2019)
  • Author(s): Ryosuke Kimbara, Nanako Isaka, Ryo Matsuzaki, Hiroko, Kawai-Toyooka, Masanobu Kawachi, Hisayoshi Nozaki
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 14 Issue: 8 Pages: e0221632-e0221632
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0221632
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Exploring the Limits and Causes of Plastid Genome Expansion in Volvocine Green Algae (2018)
  • Author(s): Gaouda Hager, Hamaji Takashi, Yamamoto Kayoko, Kawai-Toyooka Hiroko, Suzuki Masahiro, Noguchi Hideki, Minakuchi Yohei, Toyoda Atsushi, Fujiyama Asao, Nozaki Hisayoshi, Smith David Roy
  • Journal Title: Genome Biology and Evolution Volume: 10 Issue: 9 Pages: 2248-2254
  • DOI: 10.1093/gbe/evy175
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Anisogamy evolved with a reduced sex-determining region in volvocine green algae (2018)
  • Author(s): Takashi Hamaji, Hiroko Kawai-Toyooka, Haruka Uchimura, Masahiro Suzuki, Hideki Noguchi, Yohei Minakuchi, Atsushi Toyoda, Asao Fujiyama, Shin-ya Miyagishima, James G. Umen, Hisayoshi Nozaki
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 1 Issue: 1 Pages: 17-17
  • DOI: 10.1038/s42003-018-0019-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Evolution of cytokinesis-related protein localization during the emergence of multicellularity in volvocine green algae (2017)
  • Author(s): Yoko Arakaki, Takayuki Fujiwara, Hiroko Kawai-Toyooka, Kaoru Kawafune, Jonathan Featherston, Pierre M. Durand, Shin-ya Miyagishima, Nozaki Hisayoshi
  • Journal Title: BMC Evolutionary Biology Volume: 17 Issue: 1 Pages: 243-243
  • DOI: 10.1186/s12862-017-1091-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Molecular evolutionary analysis of a gender-limited MID ortholog from the homothallic species Volvox africanus with male and monoecious spheroids (2017)
  • Author(s): Kayoko Yamamoto, Hiroko Kawai-Toyooka, Takashi Hamaji, Yuki Tsuchikane, Toshiyuki Mori, Fumio Takahashi, Hiroyuki Sekimoto, Patrick J. Ferris, Hisayoshi Nozaki
  • Journal Title: PLoS One Volume: 12 Issue: 6 Pages: e0180313-e0180313
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0180313
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multiple Independent Changes in Mitochondrial Genome Conformation in Chlamydomonadalean Algae. (2017)
  • Author(s): Takashi Hamaji, Hiroko Kawai Toyooka, Atsushi Toyoda, Yohei Minakuchi, Masahiro Suzuki, Asao Fujiyama, Hisayoshi Nozaki and David Roy Smith.
  • Journal Title: Genome Biol Evol. Volume: 9 Issue: 4 Pages: 993-999
  • DOI: 10.1093/gbe/evx060
  • NAID: 120006358595
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] ３つの性別を持つ緑藻 Pleodorina starrii の発見と本種における性決定の分子遺伝学的基盤 (2022)
  • Author(s): 高橋 昂平, 豊岡 博子, 山本 荷葉子, 浜地 貴志, 大槻 涼, 鈴木 重勝, 山口 晴代, 河地 正伸, 東山 哲也, 野崎 久義
  • Organizer: 日本植物分類学会 第21回大会
• [Presentation] 緑藻ボルボックス系列Pleodorina starriiにおける３つの性表現型を決定する分子遺伝学的基盤の解明 (2022)
  • Author(s): 高橋 昂平, 豊岡 博子, 山本 荷葉子, 大槻 涼, 鈴木 重勝, 山口 晴代, 河地 正伸, 東山 哲也, 野崎 久義
  • Organizer: 日本藻類学会 第46回大会
• [Presentation] 緑藻ボルボックスにおける雌雄同株種から雌雄異株種への転換に関する分子生物学的研究 (2022)
  • Author(s): 山岸 潮音, 山本 荷葉子, 高橋 昂平, 豊岡 博子, 鈴木 重勝, 山口 晴代, 河地 正伸, 東山 哲也, 野崎 久義
  • Organizer: 日本藻類学会 第46回大会
• [Presentation] Three sex phenotypes in a haploid algal species give insights into the evolutionary transition to a self-compatible mating system (2021)
  • Author(s): Kohei Takahashi, Hiroko Kawai-Toyooka, Ryo Ootsuki, Takashi Hamaji, Yuki Tsuchikane, Hiroyuki Sekimoto, Tetsuya Higashiyama, Hisayoshi Nozaki
  • Organizer: The 75th Annual Meeting of the Phycological Society of America
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ホモタリック種ボルボックス進化基盤解明のための比較ゲノム解析 (2021)
  • Author(s): 山本 荷葉子，浜地 貴志，豊岡 博子，松﨑 令，西村 芳樹，河地 正伸，野崎 久義
  • Organizer: 第14回クラミドモナス研究会
• [Presentation] 緑藻Volvox節における雌雄同体種から雌雄異体種への進化とMID遺伝子 (2021)
  • Author(s): 山岸 潮音，金原 僚亮，山本 荷葉子，豊岡 博子，嶌田 智，野崎 久義，東山 哲也
  • Organizer: 日本藻類学会第45回大会
• [Presentation] 3つの性表現型を持つ緑藻ボルボックス系列Pleodorina starrii の性決定機構の解析 (2020)
  • Author(s): 高橋 昂平，豊岡 博子，大槻 涼，浜地 貴志，東山 哲也，野崎 久義
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
• [Presentation] Sex pheromone-induced gametogenesis in anisogamous Eudorina (2019)
  • Author(s): Hiroko Kawai-Toyooka, Takashi Hamaji, Yoshiki Nishimura, Shin-ya Miyagishima, Takako Kato-Minoura, Hisayoshi Nozaki
  • Organizer: The 5th International Volvox Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Three sexes in the anisogamous volvocine alga Pleodorina starrii (2019)
  • Author(s): Kohei Takahashi, Shota Yamashita, Kayoko Yamamoto, Hiroko Kawai- Toyooka, Yuki Tsuchikane, Hiroyuki Sekimoto, Hisayoshi Nozaki
  • Organizer: The 5th International Volvox Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Revealing mating type locus evolution based on comparative genomics of heterothallic and homothallic Volvox species (2019)
  • Author(s): Kayoko Yamamoto, Takashi Hamaji, Hiroko Kawai-Toyooka, Hideki Noguchi, Yohei Minakuchi, Atsushi Toyoda, Hisayoshi Nozaki
  • Organizer: The 5th International Volvox Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ボルボックス系列異型配偶ユードリナの性フェロモンによ る配偶子誘導 (2019)
  • Author(s): 豊岡 博子, 浜地 貴志, 西村 芳樹, 宮城島 進也, 箕浦 高子, 野崎 久義
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] 野外サンプルと培養の形態・分 子情報が明らかにした日本新産 Volvox rousseletii (2019)
  • Author(s): 金原 僚亮, 松崎 令, 豊岡 博子, 野崎 久義
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] 卵生殖ボルボックス性染色体領域の拡大 (2019)
  • Author(s): 山本 荷葉子, 浜地 貴志, 豊岡 博子, 野口 英樹, 豊田 敦, 水口 洋平, 野崎 久義
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] The evolution of mating type locus-like regions in the homothallic species Volvox africanus (2019)
  • Author(s): Kayoko Yamamoto, Takashi Hamaji, Hiroko Kawai-Toyooka, Hideki Noguchi, Yohei Minakuchi, Atsushi Toyoda, Hisayoshi Nozaki
  • Organizer: FRONTIERS OF GENOME SCIENCE 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Volvox属Merrillosphaera節における性染色体領域の拡大 (2019)
  • Author(s): 山本 荷葉子、浜地 貴志、豊岡 博子、野口 英樹、水口 洋平、豊田 敦、野崎 久義
  • Organizer: 日本藻類学会第43回大会
• [Presentation] ボルボックス系列緑藻Pleodorina sp.ホモタリック株の解析 (2019)
  • Author(s): 高橋 昂平、山下 翔大、山本 荷葉子、豊岡 博子、土金 勇樹、関本 弘之、野崎 久義
  • Organizer: 日本藻類学会第43回大会
• [Presentation] ボルボックス系列異型配偶ユードリナにおける配偶子誘導要因の解析 (2018)
  • Author(s): 豊岡 博子、浜地 貴志、西村 芳樹、宮城島 進也、箕浦 高子、野崎 久義
  • Organizer: 日本植物学会第82回大会
• [Presentation] 雌雄異株種・同株種ボルボックスの性染色体領域・相同領域における比較ゲノム解析 (2018)
  • Author(s): 山本 荷葉子、浜地 貴志、豊岡 博子、野口 英樹、水口 洋平、豊田 敦、野崎久義
  • Organizer: 日本植物学会第82回大会
• [Presentation] ホモタリック種ボルボックスの進化を比較ゲノム解析から探る (2018)
  • Author(s): 山本 荷葉子、浜地 貴志、豊岡 博子、野口 英樹、水口 洋平、豊田 敦、野崎 久義
  • Organizer: 日本植物形態学会第30回大会
• [Presentation] Identification and characterization of gamete adhesion factor FUS1 orthologs in isogamous Yamagishiella and anisogamous Eudorina (2017)
  • Author(s): Hiroko Kawai-Toyooka, Takashi Hamaji, Haruka Uchimura, Masahiro Suzuki, Hideki Noguchi, Yohei Minakuchi, Atsushi Toyoda, Asao Fujiyama, Shin-ya Miyagishima, Hisayoshi Nozaki
  • Organizer: The 4th International Volvox Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Anisogamy evolved with the reduced sex-determining region (2017)
  • Author(s): Takashi Hamaji, Hiroko Kawai-Toyooka, Haruka Uchimura, Masahiro Suzuki, Hideki Noguchi, Yohei Minakuchi, Atsushi Toyoda, Asao Fujiyama, Shin-ya Miyagishima, James Umen, Hisayoshi Nozaki
  • Organizer: The 4th International Volvox Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mating type locus-like regions in the homothallic species Volvox africanus (2017)
  • Author(s): Kayoko Yamamoto, Takashi Hamaji, Hiroko Kawai-Toyooka, Hideki Noguchi, Yohei Minakuchi, Atsushi Toyoda, Hisayoshi Nozaki
  • Organizer: The 4th International Volvox Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The volvocales genome project (2017)
  • Author(s): Antariksh Tyagi, Takashi Hamaji, Hiroko Kawai-Toyooka, Masahiro Suzuki, Hideki Noguchi, Yohei Minakuchi, Atsushi Toyoda, Asao Fujiyama, Hisayoshi Nozaki, Bradley J.S.C. Olson
  • Organizer: The 4th International Volvox Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ボルボックス系列緑藻を用いた異型配偶化の解析：縮小した性決定領域を持つ異型配偶ユードリナ (2017)
  • Author(s): 豊岡 博子, 浜地 貴志, 内村 悠, 鈴木 雅大, 豊田 敦, 野口 英樹, 水口 洋平, 藤山 秋佐夫, 宮城島 進也, 野崎 久義
  • Organizer: 日本植物学会第81回大会
• [Presentation] de novoゲノム配列決定で明らかになったボルボックス科緑藻におけるミトコンドリアDNA形状の進化過程 (2017)
  • Author(s): 浜地 貴志, 豊岡 博子, 豊田 敦, 水口 洋平, 鈴木 雅大, 藤山 秋佐夫, 野崎 久義, David Roy Smith
  • Organizer: 日本植物学会第81回大会
• [Remarks] 東京大学理学系研究科生物科学専攻多様性起源学研究室ホームページ
  • URL: http://www.bs.s.u-tokyo.ac.jp/~tayousei/
• [Remarks] プレスリリース「最初のオスとメスを生み出した性染色体領域を全ゲノム解読から解明」
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2018/5786/
• [Remarks] 研究室の扉「オスとメスを生み出した設計図を発見」野崎久義准教授、豊岡博子特任研究員
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=enZFraCFAvM
• [Remarks] 東京大学理学系研究科生物科学専攻多様性起源学研究室ホームページ
  • URL: http://www.bs.s.u-tokyo.ac.jp/~tayousei/index.html