茎頂メリステムにおけるフロリゲンの分子機能解明

• Project/Area Number: 21H04728
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 39:Agricultural and environmental biology and related fields
• Research Institution: Yokohama City University
• Principal Investigator: 辻 寛之 横浜市立大学, 木原生物学研究所, 教授 (40437512)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥41,860,000 (Direct Cost: ¥32,200,000、Indirect Cost: ¥9,660,000); Fiscal Year 2024: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000); Fiscal Year 2023: ¥9,750,000 (Direct Cost: ¥7,500,000、Indirect Cost: ¥2,250,000); Fiscal Year 2022: ¥10,530,000 (Direct Cost: ¥8,100,000、Indirect Cost: ¥2,430,000); Fiscal Year 2021: ¥12,220,000 (Direct Cost: ¥9,400,000、Indirect Cost: ¥2,820,000)
• Keywords: フロリゲン / メリステム / イネ / 茎頂メリステム / フロリゲン活性化複合体 / 花成

Outline of Research at the Start

生殖成長相の全過程におけるフロリゲンの分布とその変化を一細胞解像度3Dイメージングで解明する。またフロリゲンの分布変化に伴って変化する下流の標的遺伝子の発現や植物ホルモンの応答を一細胞解像度で解明する。さらにフロリゲンの特徴的な分布である濃度勾配について、その機能と形成メカニズムを解明する。
独自に開発した茎頂メリステムの微細単離・解析技術を最大限活用し、遺伝子発現の制御に直結するクロマチンのアクセシビリティと核内DNAの立体配置をフロリゲンの到達前後の茎頂メリステムで解明する。メリステムのエピゲノミクスの全情報を統合解析し、フロリゲンによる核内変化と遺伝子発現制御の全容を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的はフロリゲンによる茎頂メリステム (shoot apical meristem, SAM）の成長相転換に関する２つの大きな問いに答えることである。それらの問いは(1)SAMにおいてフロリゲンはどのように時空間的な分布を変化させながら成長相転換を誘導するのか、(2) SAMにおいてフロリゲン活性化複合体はどのような分子機構で花芽分化遺伝子の発現を誘導するのか、である。 (1)SAMにおいてフロリゲンはどのように時空間的な分布を変化させながら成長相転換を誘導するのかという問いに対して、私たちは独自の材料と独自の技術を開発して取り組んだ。フロリゲンのレポーター形質転換イネ、フロリゲン標的遺伝子のジーンタゲティングイネなど独自の材料を開発し、SAMの一細胞解像度の3Dイメージングを実施した。今年度までに、フロリゲンが特有の濃度分布でSAMに存在し、そのSAMの分布に伴って植物ホルモンのオーキシンとサイトカイニンの分布が変化することを解明した。今年度はフロリゲンの標的遺伝子の詳細な解析を実施し、フロリゲンの標的遺伝子の一つがSAMの全域的な成長相転換を誘導する重要な役割を果たすことを明らかにした。また(2) SAMにおいてフロリゲン活性化複合体はどのような分子機構で花芽分化遺伝子の発現を誘導するのか、に対して、私たちは独自の微細組織単離と微量核酸、クロマチンのマルチオミクス技術を開発して取り組んだ。今年度までにSAMの大量純粋単離と、ATAC-seq及びHi-Cによるクロマチンアクセシビリティの解析を実施した。これらの解析を統合することにより、フロリゲンによるSAMの成長相転換の理解を深める。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

(1)SAMにおいてフロリゲンはどのように時空間的な分布を変化させながら成長相転換を誘導するのかという問いに対して、フロリゲンの分布と植物ホルモンのオーキシンとサイトカイニンの分布を解明し、さらにこれらによって制御される標的遺伝子が重要な役割を果たすことを明らかにした。2) SAMにおいてフロリゲン活性化複合体はどのような分子機構で花芽分化遺伝子の発現を誘導するのか、という問いに対して、フロリゲンがクロマチンアクセシビリティの変化を誘導し、また3Dゲノムの全体像を描出することに成功した。これらの結果から、研究は概ね順調に進展していると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

(1)SAMにおいてフロリゲンはどのように時空間的な分布を変化させながら成長相転換を誘導するのかという問いに対しては、これまでに見つけた標的遺伝子の産物が植物ホルモンとフロリゲンの機能をSAMで統合する可能性を追求する。このために、標的遺伝子の機能解析とイメージングを詳細に進めている。すでに観察のための形質転換レポーター系統、ゲノム編集系統などの材料は複数回の形質転換を実施しており、来年度には材料が完成して使用可能となる。先行して開発できた形質転換イネを用いた予備的な実験では、標的遺伝子とフロリゲンが重なり合いながらも異なる分布を示すことにより、複合的に成長相転換を誘導する可能性が見出されつつある。レポーター系統の高精細なイメージングと細胞解像度の表現型解析を組み合わせた解析を実施する。

(2) SAMにおいてフロリゲン活性化複合体はどのような分子機構で花芽分化遺伝子の発現を誘導するのか、という問いに対しては、SAMのATAC-seqとHi-Cの情報解析を推進する。SAMのATAC-seqによって、フロリゲン活性化複合体がSAMのゲノム中でクロマチンアクセシビリティを変化させる領域を見出しつつある。これらの領域と、SAMにおけるフロリゲン活性化複合体の標的遺伝子のの関係を精査する。また、SAMのHi-Cについてもデータが得られたので、イネSAMの3Dゲノム構造をはじめて解明する。これらの統合的な解析から、フロリゲンによって引き起こされるSAMのエピジェネティックな変化を解明する。

Research Products

• [Journal Article] A leaf‐emanated signal orchestrates grain size and number in response to maternal resources (2023)
  • Author(s): Ta Kim Nhung、Shimizu‐Sato Sae、Agata Ayumi、Yoshida Yuri、Taoka Ken‐ichiro、Tsuji Hiroyuki、Akagi Takashi、Tanizawa Yasuhiro、Sano Ryosuke、Nosaka‐Takahashi Misuzu、Suzuki Toshiya、Demura Taku、Toyoda Atsushi、Nakamura Yasukazu、Sato Yutaka
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: - Issue: 1 Pages: 175-189
  • DOI: 10.1111/tpj.16219
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] MORE PANICLES 3, a natural allele of OsTB1/FC1, impacts rice yield in paddy fields at elevated CO2 levels (2023)
  • Author(s): Takai T、Taniguchi Y、Takahashi M、Nagasaki H、Yamamoto E、Hirose S、Hara N、Akashi Hi、Ito J、Arai‐Sanoh Y、Hori K、Fukuoka S、Sakai H、Tokida T、Usui Y、Nakamura H、Kawamura K、Asai H、Ishizaki T、Maruyama K、Mochida K、Kobayashi N、Kondo M、Tsuji H、Tsujimoto Y、Hasegawa T、Uga Y
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: 未確定 Issue: 4 Pages: 729-742
  • DOI: 10.1111/tpj.16143
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Molecular and cellular insights into auxin-regulated primary root growth: a comparative study of Arabidopsis and rice (2023)
  • Author(s): Nakamura Ayako、Hirota Yuna、Shigihara Masaru、Watanabe Mayu、Sato Akiko、Tsuji Hiroyuki、Shimada Yukihisa
  • Journal Title: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry Volume: 87 Issue: 10 Pages: 1145-1154
  • DOI: 10.1093/bbb/zbad089
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Improved clearing method contributes to deep imaging of plant organs (2022)
  • Author(s): Sakamoto Yuki、Ishimoto Anna、Sakai Yuuki、Sato Moeko、Nishihama Ryuichi、Abe Konami、Sano Yoshitake、Furuichi Teiichi、Tsuji Hiroyuki、Kohchi Takayuki、Matsunaga Sachihiro
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 5 Issue: 1 Pages: 12-12
  • DOI: 10.1038/s42003-021-02955-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Auxin distribution in lateral root primordium development affects its size and lateral root diameter in rice (2022)
  • Author(s): 2)Kawai, T., Akahoshi, R., Shelley, I. J., Kojima, T., Sato, M., Tsuji, H. and Inukai, Y.
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 13 Pages: 834378-834378
  • DOI: 10.3389/fpls.2022.834378
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Crystal structure of potato 14-3-3 protein St14f revealed the importance of helix I in StFDL1 recognition (2022)
  • Author(s): Harada Ken-ichi、Furuita Kyoko、Yamashita Eiki、Taoka Ken-ichiro、Tsuji Hiroyuki、Fujiwara Toshimichi、Nakagawa Atsushi、Kojima Chojiro
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 11596-11596
  • DOI: 10.1038/s41598-022-15505-y
  • 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] Whole-tissue three-dimensional imaging of rice at single-cell resolution (2021)
  • Author(s): Moeko Sato, Hiroko Akashi, Yuki Sakamoto, Sachihiro Matsunaga, Hiroyuki Tsuji
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 23 Issue: 1 Pages: 40-40
  • DOI: 10.3390/ijms23010040
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Field-transcriptome analyses reveal developmental transitions during flowering in cassava (Manihot esculenta Crantz) (2021)
  • Author(s): Behnam Babak、Higo Asuka、Yamaguchi Kaho、Tokunaga Hiroki、Utsumi Yoshinori、Selvaraj Michael Gomez、Seki Motoaki、Ishitani Manabu、Lopez-Lavalle Luis Augusto Becerra、Tsuji Hiroyuki
  • Journal Title: Plant Molecular Biology Volume: 106 Issue: 3 Pages: 285-296
  • DOI: 10.1007/s11103-021-01149-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Regulatory functions of ROS dynamics via glutathione metabolism and glutathione peroxidase activity in developing rice zygote (2021)
  • Author(s): Rattanawong Kasidit、Koiso Narumi、Toda Erika、Kinoshita Atsuko、Tanaka Mari、Tsuji Hiroyuki、Okamoto Takashi
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: 108 Issue: 4 Pages: 1097-1115
  • DOI: 10.1111/tpj.15497
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Characterization of Frond and Flower Development and Identification of FT and FD Genes From Duckweed Lemna aequinoctialis Nd (2021)
  • Author(s): Yoshida Akiko、Taoka Ken-ichiro、Hosaka Aoi、Tanaka Keisuke、Kobayashi Hisato、Muranaka Tomoaki、Toyooka Kiminori、Oyama Tokitaka、Tsuji Hiroyuki
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 12 Pages: 697206-697206
  • DOI: 10.3389/fpls.2021.697206
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 微小管のイメージングと重合阻害によるイネシュー ト頂メリステムの発生学的解析 (2024)
  • Author(s): 髙田 崚輔 1, 田中 真理 1, 武内 秀憲 2, 丸山 大輔 1, 井藤 純 1, 辻 寛之 1,3
  • Organizer: 日本育種学会第145回講演会
• [Presentation] 一細胞解像度 3D 免疫染色によるイネ茎頂メリステムのエピジェネティック修飾解析 (2024)
  • Author(s): 森下 友梨香 1, 髙田 崚輔 2, 吉田綾 2, 肥後 あすか 2, 辻 寛之3
  • Organizer: 日本育種学会第145回講演会
• [Presentation] オオムギ花序の abortion における幹細胞機能の低下および細胞死の細胞生物学的解析 (2024)
  • Author(s): 松本 大輝 1, 井藤純 1, 野村 有子 1, 若崎 眞由美 2,佐藤 繭子 2, 武田（神谷）紀子 2, 最相 大輔 3, 豊岡 公徳 2, 辻 寛之 1,4
  • Organizer: 日本育種学会第145回講演会
• [Presentation] イネの茎頂メリステムにおけるホールマウント免疫染色系の開発 (2023)
  • Author(s): 森下 友梨香 1, 髙田 崚輔 2, 吉田 綾 2, 肥後 あすか 2, 辻 寛之 2,3
  • Organizer: 日本育種学会第144回講演会
• [Presentation] 細胞骨格のイメージングと重合阻害によるイネシュート頂メリステムの発生学的解析 (2023)
  • Author(s): 髙田 崚輔1, 田中 真理1, 武内 秀憲2, 丸山 大輔1, 井藤 純1, 辻 寛之1, 3
  • Organizer: 日本育種学会第144回講演会
• [Presentation] シングルメリステム RNA-seq 解析によるオオムギ茎 頂メリステムの連続的な発生ステート推移の解明 (2023)
  • Author(s): 井藤 純 1, 野村 有子 1, 高萩 航太郎 1, 金 俊植 2,3,鹿島 誠 4, 岡田 聡史 5, 佐藤 奈緒 1, 清水 みなみ 2,最相 大輔 3, 持田 恵一 2, 平山 隆志 3, 辻 寛之 1,5
  • Organizer: 日本育種学会第144回講演会
• [Presentation] オオムギの節間伸長に花序は必要か (2023)
  • Author(s): 田中 真理 1, 赤司 裕子 1, ◯辻 寛之 1,2
  • Organizer: 日本育種学会第144回講演会
• [Presentation] オオムギ花序メリステムの細胞死過程における核内構造変化 (2023)
  • Author(s): 松本 大輝1, 井藤 純1, 野村 有子1, 若崎 眞由美2, 佐藤 繭子2, 武田（神谷） 紀子2, 最相 大輔3, 豊岡 公徳2, 辻 寛之1, 4
  • Organizer: 日本育種学会第144回講演会
• [Presentation] Surgical manipulation of barley inflorescence meristem (2023)
  • Author(s): Tanaka M1, Akashi H1, Tsuji H1,2
  • Organizer: The 3rd Barley Mutant Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Dissection of developmental state transition in the shoot apical meristem of barley by single meristem RNA-seq (2023)
  • Author(s): Jun Ito1, Yuko Nomura1, Kotaro Takahagi1, June-Sik Kim2, 3, Makoto Kashima4, Satoshi Okada5, Nao Sato1, Minami Shimizu2, Daisuke Saisho3, Keiichi Mochida2, Takashi Hirayama3, Hiroyuki Tsuji1, 5
  • Organizer: The 3rd Barley Mutant Conference
  • Invited
• [Presentation] 植物リソース配分の成長相転換 (2023)
  • Author(s): 辻寛之
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] イネ茎頂メリステムにおける1細胞解像度3Dイメージング系の確立 (2022)
  • Author(s): 佐藤 萌子
  • Organizer: 第142回日本育種学会講演会
  • Invited
• [Presentation] イネのシュート頂メリステムにおける微小管のイメージング系の確立 (2022)
  • Author(s): 髙田 崚輔1、井藤 純1、辻 寛之1
  • Organizer: 第142回日本育種学会講演会
• [Presentation] オオムギの葉鞘基部に「窓」を開け、発生中の穂を外科的にカットするとどうなるか (2022)
  • Author(s): 田中 真理1、赤司 裕子1、辻 寛之1,2
  • Organizer: 第142回日本育種学会講演会
• [Presentation] オオムギ花序メリステムの細胞死過程における細胞内構造変化 (2022)
  • Author(s): 松本 大輝1、井藤 純1、新井 駿一1、野村 有子1、杉村 みどり1、佐藤 奈緒1、関 緑1、若崎 眞由美2、佐藤 繭子2、武田（神谷） 紀子2、宇野 何岸4,5、佐藤 良勝4,6、最相 大輔7、豊岡 公徳2、辻 寛之1,3
  • Organizer: 第142回日本育種学会講演会
• [Presentation] オオムギのユニークな花序構造に関する遺伝子発現解析 (2022)
  • Author(s): 井藤 純1、佐藤 奈緒1、野村 有子1、新井 駿一1、高萩 航太郎2、岡田 聡史3,4、武田（神谷） 紀子2、豊岡 公徳2、最相 大輔3、平山 隆志3、持田 恵一2、辻 寛之1,4
  • Organizer: 第142回日本育種学会講演会
• [Presentation] フロリゲンの茎頂メリステムライブイメージングによる細胞間移行と濃度勾配形成の解析 (2022)
  • Author(s): 中村珠里，田中真理，辻寛之
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] フロリゲンとサイトカイニン，オーキシン情報伝達の 1 細胞解像度 3D イメージングで明らかにするイネの成長相転換 (2022)
  • Author(s): 佐藤萌子，坂本勇貴，田中真理，井藤純，田岡健一郎，三上雅史，遠藤真咲，北野英己，松永幸大， 辻寛之
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] フロリゲン活性化複合体の精製 (2022)
  • Author(s): 舟山枝里，田岡健一郎，深尾陽一朗，辻寛之
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] イネのシュート頂メリステムにおける微小管のイメージング系の確立 (2022)
  • Author(s): 髙田崚輔，井藤純，辻寛之
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] シングルメリステム RNA-seq 解析によるオオムギ茎頂メリステムの発生ステート推移の解明 (2022)
  • Author(s): 井藤純，野村有子，高萩航太郎，岡田聡史，佐藤奈緒，松本大輝，新井駿一，杉村みどり，関緑， 服部公央亮，梅崎太造，最相大輔，持田恵一，平山隆志，辻寛之
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 3D イメージングとレーザーマイクロダイセクション -RNA-seq によるオオムギ花序の機能未知構造 “double ridge” の解析 (2022)
  • Author(s): 佐藤奈緒，井藤純，野村有子，杉村みどり，武田(神谷)紀子，豊岡公徳，辻寛之
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 形質予測モデル構築にむけた茎頂メリステムの連続的な発生ステート推移の解明 (2022)
  • Author(s): 井藤純，野村有子，高萩航太郎，岡田聡史，久下修平，佐藤奈緒，新井駿一，松本大輝，杉村みどり， 関緑，服部公央亮，梅崎太造，池田陽子，最相大輔，持田恵一，平山隆志，辻寛之
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] フロリゲンの茎頂メリステムライブイメージングによる細胞間移行と濃度勾配形成の解析 (2022)
  • Author(s): 中村 珠里, 田中 真理, 辻 寛之
  • Organizer: 日本育種学会第141回講演会
• [Presentation] フロリゲンとサイトカイニン、オーキシン情報伝達の1細胞解像度3Dイメージングで明らかにするイネの成長相転換 (2022)
  • Author(s): 佐藤 萌子1, 坂本 勇貴2, 田中 真理1, 井藤 純1, 田岡 健一郎1, 三上 雅史3, 遠藤 真咲3, 北野 英己4, 松永 幸大5, 辻 寛之
  • Organizer: 日本育種学会第141回講演会
• [Presentation] フロリゲン活性化複合体によるクロマチンアクセシビリティの制御 (2022)
  • Author(s): 舟山 枝里1, 保坂 碧1, 2, 赤司 裕子1, 山口 佳穂1, 吉田 綾1, 木田 晴菜1, 吉田英樹3, 井藤 純1, 川勝 泰二4, 辻 寛之1
  • Organizer: 日本育種学会第141回講演会
• [Presentation] 3Dイメージングとレーザーマイクロダイセクション-RNA-seqによるオオムギ花序の機能未知構造”double ridge“の解析 (2022)
  • Author(s): 佐藤 奈緒1, 井藤 純1, 野村 有子1, 杉村 みどり1, 武田（神谷） 紀子2, 豊岡 公徳 2, 辻 寛之1
  • Organizer: 日本育種学会第141回講演会
• [Presentation] レーザーマイクロダイセクションを用いた茎頂部の組織特異的な遺伝子発現解析 (2021)
  • Author(s): 佐藤奈緒 1)・井藤純 1)・野村有子 1)・杉村みどり 1)・武田(神谷)紀子 2)・豊岡公徳 2)・ 辻寛之 1)
  • Organizer: 第16回 ムギ類研究会
• [Presentation] オオムギ花序メリステムの abortion 過程の一細胞動態解析 (2021)
  • Author(s): 松本大輝 1)・井藤純 1)・新井駿一 1)・野村有子 1)・杉村みどり 1)・佐藤奈緒 1)・関緑 1)・宇 野何岸 2, 3)・佐藤良勝 2, 4)・最相大輔 5)・辻 寛之 1)
  • Organizer: 第16回 ムギ類研究会
• [Presentation] 雑種強勢を示す F1 イネのマルチオミクス解析 (2021)
  • Author(s): 保坂 碧 1,2, 木田 春菜 1, 小出 陽平 3, 辻 寛之 1
  • Organizer: 日本育種学会第140回講演会
• [Presentation] フロリゲン活性化複合体の精製 (2021)
  • Author(s): 舟山 枝里 1，田岡 健一郎 1，深尾 陽一朗 2，辻 寛之 1
  • Organizer: 日本育種学会第140回講演会