植物受精卵の発生制御機構を司る核内クロマチン構造変遷と父母因子の機能解析

• Project/Area Number: 22KJ0534
• Project/Area Number (Other): 21J01093 (2021-2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2021-2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 44030:Plant molecular biology and physiology-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 戸田 絵梨香 東京大学, 大学院農学生命科学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 受精卵 / 配偶子 / 核合一 / 父母因子 / イネ / 発生

Outline of Research at the Start

被子植物の受精卵では、卵核と精核が融合し受精卵核となったのちに第一分裂が起こり、その後の胚発生を進行させる。そのため、受精卵発生の正常な進行に向けては、受精後の雌雄核の合一及びそれに伴うダイナミックな核内クロマチンの構造変化や遺伝子発現変動による受精卵発生制御機構の関与が想定される。本研究では、雌雄核の合一時期にあたる受精卵の初期発生過程における時系列トランスクリプトームデータを基に、主に受精直後から発現変動を示す遺伝子や受精卵の初期発生過程において片親アリル依存的な発現を示す遺伝子を標的とした機能解析を行い、受精卵発生制御機構を司る父母因子の役割およびその分子基盤の一端の解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

被子植物では受精後、卵核と精核の融合により受精卵核が形成される。この雌雄核の融合（核合一）は、受精卵・胚発生の正常な進行に不可欠であると考えられているが、植物受精卵の核合一過程における転写動態は明らかとなっていない。そこで本研究では、植物受精卵の核合一過程における遺伝子発現プロファイルを明らかにするために、配偶子融合後15分、30分、1時間、2時間、4時間、6時間の6つの初期発生段階におけるイネ受精卵のシングルセルRNA-seq解析を行った。この時系列トランスクリプトーム解析により、受精後15分以降の受精卵において、新規の遺伝子発現および遺伝子発現変動が検出された。核合一過程における受精誘導性の転写産物は、タンパク質相互作用データベースやGO解析によってそれらの特徴を確認した。さらに、父方アリルの活性化は、受精卵内で雌雄核の融合が始まる配偶子融合後30分から1時間頃に開始されることが明らかとなった。一方、卵細胞で特異的に発現するいくつかの転写産物の発現は減少し、また、受精卵発生初期に母方アリル依存的な発現からbi-allelicな発現へのダイナミックなシフトが起きていた。これらの結果は、核合一過程におけるこれらの転写ダイナミクスが、受精卵・胚発生の正常かつ連続的な進行に重要な役割を果たしていることを示唆している。
また、核合一不全を示す受精卵では、正常な受精卵・胚発生に必要な遺伝子発現が適切なタイミングで起きていないことが予想される。そこで、通常の受精卵と比較し、受精卵・胚発生の進行のカギとなる遺伝子群を浮かび上がらせることを目的として、核合一不全を示すイネ変異体系統の作出に取り組んでいる。これら変異体系統の発生解析と遺伝子発現解析を行うことで、受精卵・胚発生を司る分子機構の解明につなげたいと考えている。

Research Products

• [Journal Article] Genome editing, considering through conventional breeding (2023)
  • Author(s): Yoshida Hitoshi、Tabei Yutaka、Tsuda Mai、Tanaka Junichi、Taniguchi Yojiro、Toda Erika、Takahara Manabu、Shimosaka Etsuo、Kunihisa Miyuki、Sakai Hiroaki、Yoshizaki Goro
  • Journal Title: Breeding Research Volume: 25 Issue: 1 Pages: 78-83
  • DOI: 10.1270/jsbbr.25.W08
  • ISSN: 1344-7629, 1348-1290
  • Year and Date: 2023-06-01
  • Open Access
• [Journal Article] Whole-genome sequence analysis of mutations in rice plants regenerated from zygotes, mature embryos, and immature embryos (2023)
  • Author(s): Ichikawa Masako、Kato Norio、Toda Erika、Kashihara Masakazu、Ishida Yuji、Hiei Yukoh、Isobe Sachiko N.、Shirasawa Kenta、Hirakawa Hideki、Okamoto Takashi、Komari Toshihiko
  • Journal Title: Breeding Science Volume: 73 Issue: 3 Pages: 349-353
  • DOI: 10.1270/jsbbs.22100
  • ISSN: 1344-7610, 1347-3735
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Transcriptome analyses uncover reliance of endosperm gene expression on Arabidopsis embryonic development (2023)
  • Author(s): Zhang Yilin、Maruyama Daisuke、Toda Erika、Kinoshita Atsuko、Okamoto Takashi、Mitsuda Nobutaka、Takasaki Hironori、Ohme‐Takagi Masaru
  • Journal Title: FEBS Letters Volume: 597 Issue: 3 Pages: 407-417
  • DOI: 10.1002/1873-3468.14570
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Genome editing approaches using reproductive cells/tissues in flowering plants (2023)
  • Author(s): Toda Erika、Kato Norio、Higashiyama Tetsuya、Okamoto Takashi
  • Journal Title: Frontiers in Genome Editing Volume: 4 Pages: 1085023-1085023
  • DOI: 10.3389/fgeed.2022.1085023
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Isolation of gametes and zygotes from Setaria viridis (2022)
  • Author(s): Toda Erika、Kiba Takatoshi、Kato Norio、Okamoto Takashi
  • Journal Title: Journal of Plant Research Volume: 135 Issue: 4 Pages: 627-633
  • DOI: 10.1007/s10265-022-01393-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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] Plant genome engineering from lab to field-a Keystone Symposia report (2021)
  • Author(s): Cable J, Ronald PC, Voytas D, Zhang F, Levy AA, Takatsuka A, Arimura S, Jacobsen SE, Toki S, Toda E, Gao C, Zhu J, Boch J, Van Eck J, Mahfouz M, Andersson M, Fridman E, Weiss T, Wang K, Qi Y, Jores T, Adams T, Bagchi R
  • Journal Title: Annals of the New York Academy of Sciences Volume: 1506 Issue: 1 Pages: 35-54
  • DOI: 10.1111/nyas.14675
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Isolation of gametes and zygotes from Setaria viridis (2021)
  • Author(s): Erika Toda, Takatoshi Kiba, Norio Kato, Takashi Okamoto
  • Journal Title: BioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2021.11.01.466850
  • Open Access
• [Presentation] イネ受精卵-体細胞プロトプラスト融合細胞の発生プロファイル (2023)
  • Author(s): 戸田絵梨香、亀川拓夢、東山哲也、井澤毅、岡本龍史
  • Organizer: 日本植物学会第87回大会
• [Presentation] イネ受精卵発生における体細胞融合の影響 (2023)
  • Author(s): 戸田絵梨香、亀川拓夢、東山哲也、井澤毅、岡本龍史
  • Organizer: 学術変革領域研究「挑戦的両性花原理」2023年度若手の会
• [Presentation] Developmental profiles of zygote-somatic protoplast fused cells in rice (2023)
  • Author(s): Toda E, Kamekawa T, Higashiyama T, Okamoto T
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Reliance of endosperm gene expression on Arabidopsis embryonic development (2023)
  • Author(s): Zhang Y, Maruyama D, Toda E, Kinoshita A, Okamoto T, Mitsuda N, Takasaki H, Takagi-Ohme M
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 顕微授精法を用いたイネ栽培種－遠縁・近縁野生種間の交雑体および複二倍交雑体の作出 (2023)
  • Author(s): 小野里佳、戸田絵梨香、手塚拓海、縣歩美、木下温子、佐藤豊、岡本龍史
  • Organizer: 日本育種学会第143回講演会
• [Presentation] Effect of paternal genome excess on the developmental and gene expression profiles of polyspermic zygotes in rice (2022)
  • Author(s): Toda E, Deushi R, Koshimizu S, Yano K, Okamoto T
  • Organizer: 26th International Congress on Sexual Plant Reproduction
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transcriptional dynamics during development of early zygotes in rice: An approach using time-course single-zygote RNA sequencing (2022)
  • Author(s): Toda E, Koshimizu S, Kinoshita A, Higashiyama T, Yano K, Okamoto T
  • Organizer: Cold Spring Harbor Asia “Integrative Epigenetics in Plants”
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transcriptional dynamics during development of early zygotes in rice: An approach using time-course single-cell RNA sequencing (2022)
  • Author(s): Toda E, Koshimizu S, Kinoshita A, Higashiyama T, Yano K, Okamoto T
  • Organizer: 第55回日本発生生物学会年会
• [Presentation] 種子形成における胚が制御する胚乳特異的遺伝子発現 (2022)
  • Author(s): 高崎寛則, Zhang Yilin, 丸山大輔, 戸田絵梨香, 木下温子, 岡本龍史, 大島良美, 光田展隆, 高木優
  • Organizer: 日本植物学会第85回大会
• [Presentation] イネとシロイヌナズナにおける自然突然変異や培養変異等とゲノム編集技術による変異発生に関する科学的知見の集積とサイエンスコミュニケーション向けた情報提供について (2022)
  • Author(s): 津田麻衣, 田部井豊, 田中淳一, 谷口洋二郎, 戸田絵梨香, 高原学, 吉田均
  • Organizer: 日本育種学会第142回講演会
• [Presentation] イネ受精卵の初期発生過程における転写ダイナミクス (2022)
  • Author(s): 戸田絵梨香、越水静、木下温子、東山哲也、矢野健太郎、岡本龍史
  • Organizer: 学術変革領域研究「挑戦的両性花原理」2022年度若手の会
• [Presentation] イネ受精卵への物質導入によるゲノム編集 (2021)
  • Author(s): 戸田絵梨香
  • Organizer: 日本ゲノム編集学会第6回大会
• [Presentation] イネ受精卵の最初期発生過程における遺伝子発現変動および父母因子の発現プロファイル (2021)
  • Author(s): 戸田絵梨香, 越水静, 木下温子, 永田博基, 赤坂大輔, 大西由之佑, 東山哲也, 木下哲, 矢野健太郎, 岡本龍史
  • Organizer: 日本植物学会第85回大会
• [Presentation] 野生蘭ネジバナにおける単一受精説の検証 (2021)
  • Author(s): 水上茜, 福村薫, 加藤ふゆき, 戸田絵梨香, 時田（松浦）公美, 鈴木孝征, 東山哲也
  • Organizer: 日本植物学会第85回大会
• [Presentation] キメラリプレッサーを用いたイネ卵細胞の分裂・発生を誘導する新規転写因子の探索 (2021)
  • Author(s): 澤本陸, 大島良美, 貴嶋紗久, 光田展隆, 池田美穂, 高崎寛則, 高木優, 戸田絵梨香, 岡本龍史
  • Organizer: 日本植物学会第85回大会
• [Presentation] イネ受精卵発生を誘導するOsASGR-BBML1の標的遺伝子群の同定 (2021)
  • Author(s): 増尾心之介, 大島良美, 貴嶋紗久, 光田展隆, 池田美穂, 高崎寛則, 高木優, 戸田絵梨香, 木下温子, 岡本龍史
  • Organizer: 日本植物学会第85回大会
• [Presentation] Embryo dependent and independent gene expression in endosperm (2021)
  • Author(s): Zhang Y, Takasaki H, Maruyama D, Toda E, Okamoto T, Takagi-Ohme M
  • Organizer: 日本植物学会第85回大会
• [Presentation] イネ受精卵の最初期発生過程における遺伝子発現プロファイルの解析 (2021)
  • Author(s): 戸田絵梨香、越水静、木下温子、東山哲也、矢野健太郎、岡本龍史
  • Organizer: 第4回植物インフォマティクス研究会・年会
• [Presentation] Functional analysis of the endosperm genes expressed in an embryonic development-dependent manner in Arabidopsis (2021)
  • Author(s): Zhang Y, Maruyama D, Toda E, Okamoto T, Oshima Y, Mitsuda N, Takasaki H, Takagi-Ohme M
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Patent(Industrial Property Rights)] 植物の配偶子と体細胞の融合細胞及びその製造方法 (2022)
  • Inventor(s): 戸田絵梨香、岡本龍史
  • Industrial Property Rights Holder: 戸田絵梨香、岡本龍史
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2022-155645
  • Filing Date: 2022