概日時計が概日である意義：水田ウキクサ開花時期の多様化・局所適応からの実証

• Project/Area Number: 20J00255
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 45040:Ecology and environment-related
• Research Institution: Kagoshima University
• Principal Investigator: 村中 智明 鹿児島大学, 農学部, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 光周性 / 局所適応 / 概日リズム / アオウキクサ / 多様性 / 概日時計 / 発光レポーター / 緯度クライン

Outline of Research at the Start

日本は南北に長く様々な環境を内包しており、広域分布種の形質は、しばしば遺伝的に分化した局所適応を示す。本研究では、水田雑草アオウキクサを材料に、開花時期を決定する花成誘導日長の多様化、およびその分子基盤を解明する。日本産アオウキクサの誘導日長は、南北間に加え、同一緯度帯に大きな多様性が見られる。これは水田の多様な栽培暦への局所適応の可能性がある。さらに、概日リズム周期と誘導日長に相関がみられ、概日時計の周期多様性が誘導日長多様化のリソースとなる可能性が示唆された。そこで、水田環境・誘導日長・概日時計の多様性に対し、生態・分子・遺伝と多方面から解析を進め、局所適応の分子機構を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

単子葉類アオウキクサ属の長日植物イボウキクサと短日植物アオウキクサは実験室での日長処理により短期間で花成を誘導できるため、光周性のモデル植物として生理実験に利用されてきた。一方で、光周性の分子機構の解析は不十分であり、同属内で日長応答が逆転している理由も不明であった。そこで、イボウキクサ、アオウキクサに対し、短日・長日条件で２時間毎の日周サンプリングを行い、RNA-seqによるトランスクリプトーム解析を行った。開花条件でのみ発現するFT遺伝子のホモログが同定され、イボウキクサでは長日条件の夜と昼に２つのピークを持つ発現パターンを、アオウキクサでは短日条件の夜の後半でのみ発現するパターンを示した。アミノ酸配列をもとに系統樹を作成したところ、イボウキクサとアオウキクサのFTホモログは別のクレードとなった。アオウキクサのFTホモログは、他の単子葉植物で短日誘導が報告されたFTホモログと同じクレードになった。興味深いことに、イボウキクサも、アオウキクサのFTホモログと同じクレードで、短日条件の夜の後半で発現するFTホモログを有していた。イボウキクサは短日条件で開花しないので、このアオウキクサ型FTホモログは、花成誘導能を持っていないか、他の遺伝子から機能阻害を受ける可能性が高い。現在、これらのFTホモログの機能解析を進めている。
アオウキクサの常緑越冬系統、常時開花系統についてリシーケンスを実施した。リファレンスであるアオウキクサゲノムは、RNA-seqデータによるアノテーションを進めている。アオウキクサ2倍体系統について、5回自殖による純系系統を樹立した。今後の分子生物学的解析は本系統をモデルとして展開する予定である。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] A non-cell-autonomous circadian rhythm of bioluminescence reporter activities in individual duckweed cells (2023)
  • Author(s): Watanabe Emiri、Muranaka Tomoaki、Nakamura Shunji、Isoda Minako、Horikawa Yu、Aiso Tsuyoshi、Ito Shogo、Oyama Tokitaka
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: kiad218 Issue: 1 Pages: 677-688
  • DOI: 10.1093/plphys/kiad218
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Circadian-period variation underlies the local adaptation of photoperiodism in the short-day plant Lemna aequinoctialis (2022)
  • Author(s): Muranaka Tomoaki、Ito Shogo、Kudoh Hiroshi、Oyama Tokitaka
  • Journal Title: iScience Volume: 25 Issue: 7 Pages: 104634-104634
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.104634
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Multifunctional chemical inhibitors of the florigen activation?complex discovered by structure‐based high‐throughput screening (2022)
  • Author(s): Taoka Ken‐ichiro、Kawahara Ikumi、Shinya Shoko、Harada Ken‐ichi、Yamashita Eiki、Shimatani Zenpei、Furuita Kyoko、Muranaka Tomoaki、Oyama Tokitaka、Terada Rie、Nakagawa Atsushi、Fujiwara Toshimichi、Tsuji Hiroyuki、Kojima Chojiro
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: 112 Issue: 6 Pages: 1337-1349
  • DOI: 10.1111/tpj.16008
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of fruit dimorphism on genetic structure and gene flow in the coastal shrub Scaevola taccada (2022)
  • Author(s): Naoko Emura, Tomoaki Muranaka, Takaya Iwasaki, Mie N Honjo, Atsushi J Nagano, Yuji Isagi, Hiroshi Kudoh
  • Journal Title: Annals of Botany Volume: 130 Issue: 7 Pages: 1029-1040
  • DOI: 10.1093/aob/mcac138
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Detection of uncoupled circadian rhythms in individual cells of Lemna minor using a dual-color bioluminescence monitoring system (2021)
  • Author(s): Watanabe Emiri、Isoda Minako、Muranaka Tomoaki、Ito Shogo、Oyama Tokitaka
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: - Issue: 5 Pages: 815-826
  • DOI: 10.1093/pcp/pcab037
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ウキクサ植物：花成制御多様化の古くて新しいモデル (2023)
  • Author(s): 村中智明
  • Organizer: 第70回日本生態学会大会
  • Invited
• [Presentation] 短日性アオウキクサの花成限界日長が日本で多様化する理由とその分子機構 (2022)
  • Author(s): 村中智明、伊藤照悟、工藤洋、小山時隆
  • Organizer: 日本植物学会第86回大会
  • Invited
• [Presentation] アオウキクサ属の長日・短日植物の比較トランスクリプトーム (2022)
  • Author(s): 村中智明、伊藤照悟、小山時隆
  • Organizer: 第54回種生物学会シンポジウム
• [Presentation] アオウキクサ属における 長日植物と短日植物の 比較トランスクリプトーム (2022)
  • Author(s): 村中智明、伊藤照悟、工藤洋、小山時隆
  • Organizer: 第29回時間生物学会学術大会
• [Presentation] クロノタイプ効果による適応形質の多様化：短日植物における限界日長の局所適応 (2022)
  • Author(s): 村中智明, 工藤洋, 伊藤照悟, 小山時隆
  • Organizer: 第69回日本生態学会大会
• [Presentation] ３つの日長条件における短日性ウキクサの日周トランスクリプトーム (2022)
  • Author(s): 村中智明
  • Organizer: 第63回植物生理学会年会
• [Presentation] Natural variation of the circadian period contributes to fine-tuning of photoperiodic flowering (2021)
  • Author(s): Tomoaki Muranaka, Hiroshi Kudoh, Tokitaka Oyama
  • Organizer: 85th Cold Spring Harbor Laboratory Symposium on Quantitative Biology Biological Time Keeping
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 局所適応におけるクロノタイプ効果：アオウキクサの開花期多様化からの検証 (2021)
  • Author(s): 村中智明, 伊藤照悟, 工藤洋, 小山時隆
  • Organizer: 日本進化学会第23回東京大会
• [Presentation] 局所適応におけるクロノタイプ効果：短日性アオウキクサの限界日長多様化からの検証 (2021)
  • Author(s): 村中智明, 伊藤照悟, 工藤洋, 小山時隆
  • Organizer: 第28回 日本時間生物学会学術大会
• [Presentation] 早稲・晩稲水田におけるアオウキクサ開花フェノロジー (2021)
  • Author(s): 村中智明
  • Organizer: 第53回 種生物学シンポジウム
• [Presentation] 概日周期の多様性がもたらす限界日長の多様性 (2021)
  • Author(s): 村中智明、工藤洋、小山時隆
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Monitoring cellular circadian rhythms in an intact plant (2020)
  • Author(s): 村中智明、小山時隆
  • Organizer: 第93回日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] 冷たい世界で時を刻むものは何か (2020)
  • Author(s): 村中智明、本庄三恵、川越哲博、 永野惇、工藤洋
  • Organizer: 第27回日本時間生物学会学術大会
  • Invited
• [Presentation] 日本産アオウキクサの集団内・集団間における形質相関 (2020)
  • Author(s): 村中智明、工藤洋、小山時隆
  • Organizer: 第52回種生物学シンポジウム