Molecular mechanisms linking floral transition and stem elongation in plants
| Project/Area Number |
22H04978
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Broad Section F
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
芦苅 基行 名古屋大学, 生物機能開発利用研究センター, 教授 (80324383)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
辻 寛之 名古屋大学, 生物機能開発利用研究センター, 教授 (40437512)
今泉 貴登 名古屋大学, 遺伝子実験施設, 招へい教員 (60767466)
水谷 未耶 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (90836280)
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| Project Period (FY) |
2022-04-27 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥193,700,000 (Direct Cost: ¥149,000,000、Indirect Cost: ¥44,700,000)
Fiscal Year 2024: ¥34,320,000 (Direct Cost: ¥26,400,000、Indirect Cost: ¥7,920,000)
Fiscal Year 2023: ¥34,320,000 (Direct Cost: ¥26,400,000、Indirect Cost: ¥7,920,000)
Fiscal Year 2022: ¥48,100,000 (Direct Cost: ¥37,000,000、Indirect Cost: ¥11,100,000)
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| Keywords | 相転換 / 茎伸長 / 花芽分化 / ACE1 / DEC1 / イネ |
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| Outline of Research at the Start |
これまでの研究から、花成誘導ホルモンFT、茎伸長開始制御因子ACE1、DEC1および植物ホルモンのGAの連携により、花芽分化と茎伸長のタイミングが制御されていることが見えてきた。そこで、イネやシロイヌナズナにおいて、これらを取り巻く新たな因子を探索するとともに、見いだされた因子がどのようなネットワークを構築し花芽分化と茎伸長の連動性を生み出しているのかを明らかにする。また基部陸上植物のモデルであるゼニゴケにおいても、ACE1やDEC1ホモログを保持しているため、ゼニゴケでのこれらの機能を明らかにするとともに、分子の機能進化についても明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
イネは栄養成長期には節間伸長せず、生殖成長期に茎（節間）を伸長させる。これまでこの危機伸長に関わる遺伝子としてACE１とDEC1を見いだしていた。その後本研究により、ACE1とDEC1の類似遺伝子の機能を明らかにするとともに、それらを転写制御する因子や協調的に働く因子の候補がみつかって来ており、ACE1とDEC1を介した節間伸長カスケードが明らかになりつつある。また現在、節間伸長に必須な植物ホルモンのジベレリン（GA）の発現アトラスを作成中であり、今後これらを統合することで、花芽分化と茎伸長の連動性をさらに明らかにできると思われる。シロイヌナズナにおいても、イネ同様栄養成長期には節間伸長せず、生殖成長期に茎（節間）を伸長させる。本研究によって、シロイヌナズナにおけるACE1ホモログであるFPF1およびFPF2の機能の解析が進みつつある。FPF1はイネ同様シロイヌナズナの花茎伸長を制御していることが明らかになるとともに、シロイヌナズナの花芽誘導を行うことも明らかになった。以上の結果から、FPF1は花芽と茎伸長の両方を誘導できるため、本課題の「花芽分化と茎伸長の連動性の分子メカニズム」がFPF1によって一部説明できるまでになった。また、シロイヌナズナにおいても、GA合成遺伝子の発現解析およびホルモン定量を進めており、今後はこれらの一連の成果をまとめることで、「花芽分化と茎伸長の連動性の分子メカニズム」をホルモンも踏まえて説明する方向で研究を進めている。またゼニゴケにおいても、DEC1ホモログであるMPDEC1が生殖器形成や柄伸長に関わることが明らかになりつつあり、イネ、シロイヌナズナ、ゼニゴケにおけるDEC1の機能の共通性と相違性が見えてきた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
イネゲノム中にはACE１やDEC1の類似遺伝が複数存在するため、それぞれ類似した遺伝子が茎伸長制御機能を保持するか、過剰発現体を作成することによって検証した。ACE1に類似した遺伝子はイネゲノム中に６つ存在し、その内ACE１とACE1like1(ACL1)の過剰発現体のみが茎伸長し、その他の4つの類似遺伝子は茎伸長機能を保持していないことが明らかになった。またDEC1において３つの類似遺伝子が存在するが、少なくとも２つの遺伝子の過剰発現体が茎伸長を抑制した。さらにFTが花芽分化に加えて茎伸長も誘導する可能性を検討するため、FTが伸長中の茎に局在するかどうかをイメージングにより調査した。イネFTオーソログのHd3aとGFPの融合遺伝子をHd3a promoterで発現する形質転換イネの茎を立体的に観察した結果、Hd3a-GFPが伸長中の茎にも分布する様子を可視化できた。
シロイヌナズナにおけるDEC1遺伝子の解析を進めた。シロイヌナズナにはDEC1に相同性が高い遺伝子が19個存在する。この中から効率的にDEC1遺伝子候補を選抜するため、ゼニゴケとの融合研究を進めた（ゼニゴケはシロイヌナズナより世代交代が早く、シャーレで育成するため大きな場所も必要とせず、また形質転換も容易であるため、効率的な遺伝子選抜ができると考えた）。イネおよびゼニゴケのDEC1をゼニゴケで過剰発現すると遠赤色光非依存的に生殖を開始する。この指標を利用して、19個のDEC1候補遺伝子を過剰発現したゼニゴケを作出した。その結果、3つの遺伝子がイネおよびゼニゴケのDEC1過剰発現体と類似の表現型を示したため、DEC1(AtDEC1)候補とした。現在、これらシロイヌナズナの３つの遺伝子について過剰発現体やゲノム編集個体を作出中である。以上の様に新しい知見が蓄積していき、研究目標達成に向け順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
ジベレリンは茎伸長を正に制御する植物ホルモンであることが知られ、GA生合成酵素遺伝子を欠損した変異体は茎が短縮することが知られている。しかし、花芽分化前後で、いつ、どこで、どのGA生合成酵素遺伝子が、どの程度、茎伸長制御に関わっているかの詳細は不明である。そこで、イネGAの発現アトラスの完成をめざす。イネ栄養成長から生殖成長にかけて、茎頂、茎および穂から細かくサンプリングを行い、半分をRNA-seq解析に半分を質量分析解析に供試する。その後、GA生合成酵素遺伝子群およびGA情報伝達遺伝子群の発現プロファイルまとめるとともに、GAの定量解析結果を統合する。さらに、GA生合成酵素遺伝子群のゲノム編集によって、生殖成長後の茎伸長に特に異常を来した遺伝子については、プロモーターGFPおよびプロモーターGUS解析を進めイネGAの発現アトラスを完成させる予定である。シロイヌナズにおいても、花芽分化前後のGA関連遺伝子の発現とホルモン生産の時空間アトラスの作成を目指し、現在、栄養成長期から生殖成長期へ移行する各タイミングの各器官からRNA抽出を行い、RNA-seqとGAの定量を進めている。来年度はこれらの遺伝子発現と、FLP1やAtDEC1候補遺伝子と発現のプロファイルとを重ね、花芽分化遺伝子と節間伸長に必要な遺伝子セットおよびGA蓄積の時空間的統合アトラスを作成することで、遺伝子とホルモンの時空間的変動に基づいた花芽分化と茎伸長の連動性の理解を進める。また、ゼニゴケMpDEC1は柄伸長のみならず、生殖器形成にも機能していることが明らかになり、現在、これまでに報告のある生殖器形成に関わる遺伝子とMpdec1の2重変異体を作出中である。今後はこれらの変異体がとれ次第、遺伝的上位性を明らかにしていく予定である。
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Report
(4 results)
Research Products
(33 results)
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[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, 野村 有子, 高萩 航太郎, 金 俊植,鹿島 誠, 岡田 聡史, 佐藤 奈緒, 清水 みなみ,最相 大輔, 持田 恵一, 平山 隆志, 辻 寛之
Organizer
日本育種学会第144回講演会
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