Molecular basis of morphological evolution in parasitic plant, Cuscuta sp.
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22K06274
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 44030:Plant molecular biology and physiology-related
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
横山 隆亮 東北大学, 生命科学研究科, 講師 (90302083)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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| Keywords | 寄生植物 / ネナシカズラ / 進化 / フィトクロム / 光形態形成 / 吸器 / 制御モジュール |
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| Outline of Research at the Start |
寄生植物は独自の器官や形態・行動能力を進化させている。茎寄生植物のネナシカズラは，生存に必要な全ての養水分を宿主植物に依存することで，葉や根が退化し，その結果として，蔓状の形態になったと考えられてきた。しかし本研究では，ネナシカズラ固有の蔓状形態は，寄生器官の侵入のための寄生行動に適した形態を進化させたものであるという新たな仮説を提唱する。そしてこの形態形成の分子機構を解明することで，ネナシカズラが独自に獲得した形態の分子進化の過程を明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
寄生植物は寄生のための独自の器官や形態・行動能力を獲得してきたが，その進化過程を遺伝子レベルで説明できた例は少ない。本研究の目的は，ネナシカズラ属の茎寄生植物が寄生器官を獲得し，根や葉もない独自の形態に進化した過程を遺伝子レベルで明らかにすることである。
ネナシカズラ属の茎寄生植物の形態と一般的な被子植物の暗形態との高い類似性から，この茎寄生植物は，光形態形成の制御機構の改変によって，葉や根の形成を抑制し，茎を伸長させる暗形態形成を恒常的に行うようになったのではないかという着想に至った。これまでの研究で，ネナシカズラ属の茎寄生植物には，被子植物で高度に保存されている光受容体フィトクロムA（PHYA）のPAS1ドメインに特有のアミノ酸変異があることを発見した。シロイヌナズナなどのモデル植物では，PAS1ドメインのミスセンス変異による暗形態形成の誘導が確認されていることなどから，光形態形成の制御に関わるPHYAのシグナル伝達系に着目した研究を展開している。
令和５年度の研究では，ネナシカズラ属の茎寄生植物は葉を形成することはできるが，PHYAシグナル伝達系の制御機構によってその能力が抑制されている可能性を示す実験結果を得た。即ち，PHYAのシグナル伝達系に作用するサイトカイニンの投与実験により，葉がないと言われていたアメリカネナシカズラに大きな葉様構造を形成させることに成功し，さらにネナシカズラ属の茎寄生植物では報告のない葉のトライコームを誘導することにも成功した（論文投稿中）。
またネナシカズラ属で形態進化に先んじて起こったと考えられる寄生器官の獲得プロセスに関しては，令和４年度の研究成果から得た「寄生器官である吸器の機能は一般的な被子植物が有する既存の機能モジュールの組み合わせによって構築された」という寄生器官の獲得の過程についての仮説を取り纏め，国際学会において発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
ネナシカズラ属の茎寄生植物ではPHYAシグナル伝達系の制御によって葉形成が抑制されていることを支持するための実験を遂行した。一般的な被子植物では，植物ホルモンであるサイトカイニンとPHYAのシグナル伝達系がクロストークしているため，暗形態形成下でも過剰のサイトカイニンによって葉形成を誘導できることが知られている。アメリカネナシカズラを実験材料として，サイトカイニンの投与実験を行ったところ，葉がないと考えられていたアメリカネナシカズラに大きな鱗片葉様構造を形成させることに成功した。また同様に，これまでネナシカズラ属の茎寄生植物では報告のない葉のトライコームの誘導にも成功した。以上の実験結果は，ネナシカズラ属の茎寄生植物は潜在的に葉を形成する能力をもつが，通常はこの能力が抑制されている状態にあることを強く支持するものであった（論文投稿中）。
本研究成果は，シグナル伝達系のクロストークを利用するという新たな発想によって，葉形成の抑制機構にPHYAのシグナル伝達系の関与を示すことができた点でも重要な意味を持つ。即ち，ネナシカズラ属のPHYA制御モジュールの中ではサイトカイニンとPHYAのシグナル伝達系のクロストーク部分は維持されていることを示唆するもので，比較ゲノム解析で欠損が確認されたPHYA制御下の遺伝子群（LAF1など）の情報とともに，ネナシカズラ属に固有のPHYA制御モジュールの全体像の解明に繋がる結果と評価できる。
またアメリカネナシカズラのPHYA遺伝子が他の被子植物とは違って赤色・遠赤色光に反応せず，常に高発現していたことから，ネナシカズラ属に固有のPHYA制御モジュールが恒常的に機能していることも示唆された。
以上のことから，令和５年度は，多面的なアプローチによって，ネナシカズラ属固有のPHYA制御モジュールの全容解明に向けた研究が大きく前進したものと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
特筆すべきは，2024年2月にアメリカネナシカズラの形質転換法が確立したとの一報があったことである。すでに本研究プロジェクトにおいても，公開された情報からこの形質転換法の再現性を検証している。これまでネナシカズラ属の茎寄生植物では形質転換体を作出できなかったことから，アメリカネナシカズラの変異型PHYA遺伝子をシロイヌナズナや近縁種のアサガオなどに導入することで，PHYAの変異がネナシカズラ属に固有の形態形成を引き起こすことを間接的に証明しようしていた。しかしアメリカネナシカズラの変異型PHYAの発現抑制形質転換体や欠失変異体を作製できるようになったことで，ネナシカズラ属の茎寄生植物において変異型PHYAの役割を直接実証することが可能になった。
同様にアメリカネナシカズラを実験材料として，これまでの研究からPHYA制御下で機能すると推定されていた他の制御遺伝子についても発現抑制形質転換体や欠失変異体を作製し，それらの表現型・発現プロファイルを解析することで，ネナシカズラ属の変異型PHYAの発現制御ネットワークの解明への道が開けた。
以上のようなアメリカネナシカズラの形質転換体の作製・解析を遂行することで，変異型PHYAの機能解明とネナシカズラ属に固有のPHYA制御モジュールの全容解明を推進する。
また形質転換体を用いた解析によって明らかになったネナシカズラ属のPHYA制御モジュールの鍵となる制御遺伝子について，他の被子植物（特に近縁の非寄生植物種）のオソログと変異・欠損などを比較解析することで，ネナシカズラ属に固有のPHYA制御モジュールの構築過程をシミュレーションし，本研究の最終目標である「ネナシカズラ属の茎寄生植物が葉や根の形成を抑制し，茎伸長だけを促進する形態を獲得した進化過程」の解明を目指す。
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Report
(2 results)
Research Products
(9 results)
