Integrated understanding of interspecific-incompatibility and self-incompatibility in the Brassicaceae

• Project/Area Number: 21H05030
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Broad Section F
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 高山 誠司 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 特任研究員 (70273836)
• Project Period (FY): 2021-07-05 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥189,930,000 (Direct Cost: ¥146,100,000、Indirect Cost: ¥43,830,000); Fiscal Year 2024: ¥35,100,000 (Direct Cost: ¥27,000,000、Indirect Cost: ¥8,100,000); Fiscal Year 2023: ¥35,100,000 (Direct Cost: ¥27,000,000、Indirect Cost: ¥8,100,000); Fiscal Year 2022: ¥35,100,000 (Direct Cost: ¥27,000,000、Indirect Cost: ¥8,100,000); Fiscal Year 2021: ¥49,530,000 (Direct Cost: ¥38,100,000、Indirect Cost: ¥11,430,000)
• Keywords: 植物 / 有性生殖 / 自家不和合性 / 種間不和合性 / 情報伝達

Outline of Research at the Start

植物は、昆虫等により運ばれてくる雑多な花粉の中から「同種」かつ「非自己」の花粉とのみ選択的に受精する巧妙な仕組みを持ち、種とその遺伝的多様性を維持している。アブラナ科植物の雌ずい乳頭細胞には、同種と異種の花粉を識別する仕組み（種間不和合性）と自己と非自己の花粉を識別する仕組み（自家不和合性）が存在し、同種花粉の受け入れに関わる受諾反応を何らかの形で阻害している可能性が示されてきている。本研究では、乳頭細胞内で行われているこれら仕組みの理解の深化を図ると共に、花粉選択の仕組みに関する統合分子モデルを提唱することを目指している。

Outline of Annual Research Achievements

アブラナ科植物の花粉選択の統合分子モデル提唱に向けて、以下の３課題の解明を進めた。
【課題１】異種花粉排除の分子機構解明：昨年度、種間不和合性に関わるSPRI1の相互作用因子として、クチン生合成酵素を見出した。クチクラ層が異種花粉に対する物理的障壁として機能する可能性を推察し、クチン分解酵素によりクチクラ層を破壊した植物体を作出したところ、種間不和合性が打破されることが示された。さらに、新たな種間不和合性因子SPRI2について解析した結果、細胞壁成分のキシランをアセチル化する酵素TBL40/TBL45 の遺伝子領域に結合し、これらの発現を正に制御していることを見出した。SPRI1 の発現亢進に間接的に関わることも示され、SPRI2 が雌ずいにおける異種花粉排除を統括している可能性が示された。さらに、より近縁の異種花粉を対象にGWASによる種間障壁因子の探索を進めたところ、SPRI1/2とは異なる新規種間不和合性因子を同定することに成功した。
【課題２】自己花粉排除の分子機構解明：情報伝達因子探索のための一細胞解析系の確立を進めると同時に、SRK下流で機能すると想定されるチャネル・輸送体分子の逆遺伝学的探索を進めた。その結果、ある特定のチャネル分子群の破壊株が、自家不和合性を欠失することを見出した。
【課題３】同種花粉受諾の分子機構解明と排除経路干渉の実態解明：昨年度、花粉受諾検出システムを用いた順遺伝学的探索により、同種花粉受諾に関わる因子VPS13aを同定した。生化学的な解析から、VPS13a はエキソサイトーシスを仲介するExocyst 複合体のサブユニットタンパク質と花粉管の先端に共局在し、機能相関性があることを見出した。さらに、野生型の花粉では吸水したのちに脂質体が粗面小胞体から解離する現象が起こるが、vps13a 変異体ではこのような解離が起きないことが示された。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究では、アブラナ科植物を対象として、雌ずい先端の乳頭細胞が持つ異種花粉排除に関わる種間不和合性経路、自己花粉排除に関わる自家不和合性経路、さらに同種花粉の積極的受入に関わる同種受諾経路、の3経路の理解を深化させると共に、経路間の干渉を含めた花粉選択の統合分子モデルを提唱することを目的としている。これまでに、解明目標として掲げる全３経路において、いずれも手掛かりとなると予測される新たな因子を同定することに成功しており、今後本研究がさらに加速することが期待できる。

Strategy for Future Research Activity

今後は、各課題について、以下の研究を進める計画である。
【課題１】異種花粉排除の分子機構解明：引き続き、SPRI1 の相互作用因子の探索を進め、SPRI1 複合体の構成と機能を生化学的に明らかにする。また、クチクラ層を含む細胞壁構造が種間不和合性における物理的障壁として機能していることを示唆するデータが蓄積しつつある。データを精査すると共に同種花粉がこの障壁を打破する仕組みの解明を進める。一方、SPRI2 に関しては、下流の標的遺伝子の解析を進め、乳頭細胞内の種間不和合性因子の発現を統括している可能性を追求する。また、より近縁の花粉に対して種間不和合性をもたらす雌ずい側の新規分子に関しては、花粉側の相互作用分子の特定を進め、作用機序を明らかにする。
【課題２】自己花粉排除の分子機構解明：自家不和合性への関与が示唆された新規チャネル分子候補について解析を進める。本候補はファミリーを構成するため、多重変異体を作出し、シグナル伝達系への関与の確証を得る。特に、SP11－SRK のリン酸化経路の下流でこのチャネルが制御される生化学的なメカニズムや、チャネルのCa2+の透過能の解析を進める。さらに、一細胞スクリーニング系を駆使し、本シグナル伝達経路の全容解明を目指す。
【課題３】同種花粉受諾の分子機構解明と排除経路干渉の実態解明：乳頭細胞に花粉受諾情報を送らないvps13a 変異体の解析を継続する。近年の生化学的な研究や構造生物学的知見から、VPS13 はリン脂質輸送分子の一種であると推察されている。変異体花粉におけるリン脂質構成や輸送制御について解析を進め、同種受粉受諾における機能の解明を目指す。

Assessment Rating

Interim Assessment Comments (Rating)

A: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress has been made in research.

Research Products

• [Int'l Joint Research] Chungnam National University(韓国)
• [Journal Article] A phase-separated transcription factor regulates an interspecific barrier (2022)
  • Author(s): Fujii Sota、Yamamoto Eri、Tangpranomkorn Surachat、Kimura Yuka、Miura Hiroki、Yamaguchi Nobutoshi、Niidome Maki、Shimosato-Asano Hiroko、Kato Yoshinobu、Wada Yuko、Ito Toshiro、Takayama Seiji
  • Journal Title: Research square Volume: - Pages: 1-39
  • DOI: 10.21203/rs.3.rs-2015853/v1
  • Open Access
• [Journal Article] A land plant specific VPS13 mediates polarized vesicle trafficking in germinating pollen (2022)
  • Author(s): Tangpranomkorn Surachat、Igarashi Motoko、Ishizuna Fumiko、Kato Yoshinobu、Suzuki Takamasa、Fujii Sota、Takayama Seiji
  • Journal Title: biorxiv Volume: - Pages: 1-40
  • DOI: 10.1101/2022.11.01.514778
  • Open Access
• [Journal Article] Spatiogenetic characterization of <i>S</i> receptor kinase (<i>SRK</i>) alleles in naturalized populations of <i>Raphanus sativus</i> L. var. <i>raphanistroides</i> on Yakushima island (2021)
  • Author(s): Fukushima, K., Kanomata, T., Kon, A., Masuko-Suzuki, H., Ito, K., Ogata, S., Takada, Y., Komatsubara, Y., Nakamura, T., Watanabe, T., Koizumi, S., Sanuki, H., Park, J.-I., Niikura, S., Suwabe, K., Fujii, S., Murase, K., Takayama, S., Suzuki, G., and Watanabe, M.
  • Journal Title: Genes & Genetic Systems Volume: 96 Issue: 3 Pages: 129-139
  • DOI: 10.1266/ggs.20-00066
  • NAID: 130008102461
  • ISSN: 1341-7568, 1880-5779
  • Year and Date: 2021-06-01
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Genetic diversity of genes controlling unilareral incompatibility in Japanese cultivars of Chinese cabbage. (2021)
  • Author(s): Takada, Y., Mihara, Y., He, Y., Xie, H., Ozaki, Y., Nishida, H., Hong, S., Lim, Y. P., Takayama, S., Suzuki, G., and Watanabe, M.
  • Journal Title: Plants Volume: 10 Issue: 11 Pages: 2467-2467
  • DOI: 10.3390/plants10112467
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] クチクラはアブラナ科花粉の発芽プロセスを制御することで種間生殖障壁として機能する (2023)
  • Author(s): 益子恵利那、福島和紀、林真妃、山本将之、寺岸俊哉、高山誠司、渡辺正夫
  • Organizer: 第143回日本育種学会
• [Presentation] クチクラはアブラナ科花粉の発芽プロセスを制御することで種間生殖障壁として機能する (2023)
  • Author(s): 加藤義宣、木村友香、高山誠司、藤井壮太
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会
• [Presentation] 第64回日本植物生理学会 (2023)
  • Author(s): 田所駿、加藤義宣、石田翔太、木村友香、高山誠司、藤井壮太
  • Organizer: アブラナ科種間不和合性因子SPRI1 におけるシステイン残基の生化学的な機能解析
• [Presentation] 改変型低分子RNA導入によるアブラナ科植物の花粉側自家不和合性因子の共劣性化 (2023)
  • Author(s): 小林利紗、和田七夕子、片岡修、押井夏海、安田晋輔、柴博史、高山誠司、伊藤寿朗
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会
• [Presentation] 花柱のシステインリッチペプチドがもたらすシ ロイヌナスナの多次元種間障壁 (2023)
  • Author(s): 三浦大樹、木村友香、和田七夕子、高山誠司、藤井壮太
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会
• [Presentation] The plant-specific Arabidopsis VPS13a mediates polarized vesicle trafficking during pollen germination (2023)
  • Author(s): Tangpranomkorn Surachat, Igarashi Motoko, Ishizuna Fumiko, Kato Yoshinobu, Suzuki Takamasa, Fujii Sota, Takayama Seiji
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会
• [Presentation] シロイヌナズナ花柱において受精前障壁を引き起こす新規システインリッチペプチドの同定 (2022)
  • Author(s): 三浦大樹、木村友香、和田七夕子、高山誠司、藤井壮太
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会
• [Presentation] シロイヌナズナの種間不和合性を担う因子SPRI1の機能メカニズムの解明 (2022)
  • Author(s): 田所駿、加藤義宣、石田翔太、木村友香、高山誠司、藤井壮太
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会
• [Presentation] アブラナ科植物における改変型低分子RNAを用いた自家不和合性の操作 (2022)
  • Author(s): 押井夏海、和田七夕子、小林利紗、片岡修、安田晋輔、柴博史、高山誠司、伊藤寿朗
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会
• [Presentation] シロイヌナズナにおける雑種強勢候補遺伝子の機能解析 (2022)
  • Author(s): 宇津木一陽、和田七夕子、井阪阿怜、田中裕也、布平竜也、羽根佑樹、高山誠司、伊藤寿朗
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会
• [Presentation] アブラナ科生殖障壁としてのクチクラ層の機能 (2022)
  • Author(s): 加藤義宣、木村友香、高山誠司、藤井壮太
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会
• [Presentation] アブ ラナ科植物における種間不和合性制御因子SPRI2局在構造体の解析 (2022)
  • Author(s): 伊藤星太郎、山本絵里、Tangpranomkorn Surachat、木村友香、加藤義宣、新留真紀、高山誠司、藤井壮太
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会
• [Presentation] The plant specific Arabidopsis VPS13a mediates pollen grain polarization during pollen germination (2022)
  • Author(s): Tangpranomkorn Surachat, Igarashi Motoko, Ishizuna Fumiko, Kato Yoshinobu, Suzuki Takamasa, Fujii Sota, Takayama Seiji
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会
• [Presentation] アブラ ナ科植物の種間不和合性の転写制御因子SPRI2の解析 (2022)
  • Author(s): 山本絵理、木村友香、下里裕子、Tangranomkorn Surachat、古川翔子、和田七夕子、高山誠司、藤井壮太
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会
• [Presentation] シロイヌナズナの花柱における新規の受精前種間障壁 (2022)
  • Author(s): 三浦大樹、木村友香、和田七夕子、高山誠司、藤井壮太
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会
• [Presentation] アブラナ科植物の異種花粉排除に関わる雌蕊SPRI1タンパク質の機能解析 (2022)
  • Author(s): 加藤義宣、石田翔太、木村友香、田所駿、高山誠司、藤井壮太
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会
• [Presentation] クチクラはアブラナ科種間生殖障壁として機能する (2022)
  • Author(s): 加藤義宣、木村友香、高山誠司、藤井壮太
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会
• [Presentation] Brassica rapaにおける小国カブの近交系統間で起きる一側性不和合性を制御する雌雄因子の同定に向けた遺伝学的解析 (2022)
  • Author(s): 金あおい、高田美信、清水元樹、高山誠司、鈴木剛、小林恭士、渡辺正夫
  • Organizer: 第141回日本育種学会
• [Presentation] B. rapa近交系統間交雑時に生じた新規受粉時一側性不和合性現象の解析 (2021)
  • Author(s): 金あおい、高田美信、清水元樹、高山誠司、鈴木剛、小林恭士、渡辺正夫
  • Organizer: 第140回日本育種学会
• [Presentation] 父方インプリ ント遺伝子欠損株における種子および胚乳発達の解析 (2021)
  • Author(s): 海老原諒子、下保瑶己、山田慧士朗、山口翔、山口京、和田七夕子、高山誠司、伊藤寿朗
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会
• [Presentation] アブラナ科の異種花粉排除系の転写制御因子の解析 (2021)
  • Author(s): 山本絵理、木村友香、高山誠司、藤井壮太
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会
• [Remarks] 東京大学大学院農学生命科学研究科生物有機化学研究室
  • URL: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/seiyu/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 自家和合性を有するアブラナ科植物の作出方法 (2022)
  • Inventor(s): 和田七夕子、小林利紗、押井夏海、伊藤寿朗、高山誠司、片岡修
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人 奈良先端科学技術大学院大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2022