Harnessing chloroplast inheritance

• Project Area: Determining the principles of the birth of new plant species: molecular elucidation of the lock-and-key systems in sexual reproduction
• Project/Area Number: 17H05840
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 西村 芳樹 京都大学, 理学研究科, 助教 (70444099)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥15,470,000 (Direct Cost: ¥11,900,000、Indirect Cost: ¥3,570,000); Fiscal Year 2018: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000); Fiscal Year 2017: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
• Keywords: 葉緑体DNA / ミトコンドリアDNA / 母性遺伝 / 葉緑体 / 進化 / 相同組換え / 緑藻クラミドモナス / 植物 / 遺伝学

Outline of Annual Research Achievements

生殖をめぐる多様な現象群のうち、未だその分子機構や進化的意義が分からないものの一つに「葉緑体やミトコンドリアDNAの母性遺伝」がある。母性遺伝とは、葉緑体やミトコンドリアが持つDNAが母親のみから子孫に伝えられる現象のことであり、ヒトを含む動物から菌類、藻類、植物に至る幅広い生物種において普遍的に観察される。母性遺伝は、雌と雄由来の葉緑体／ミトコンドリアDNAを明確に識別し、片方のみを排除することで実現すると考えられているが、そのメカニズムは現在活発な議論の対象となっている。
本研究では緑藻クラミドモナス、担子菌類クリプトコッカスをモデルとして、葉緑体とミトコンドリアDNAの片親遺伝のメカニズムを探った。緑藻クラミドモナスでは、接合子成熟の鍵制御因子であるGSP1が欠損すると葉緑体母性遺伝が完全に停止する。GSP1欠損変異体をもちいたRNAseq解析から、接合子においてGSP1によって活性化されるRecAに注目し、その欠損株における母性遺伝を解析したところ、約１０ー２０％の接合子において父性遺伝が観察された。父性遺伝の原因を探るべく、RecA欠損変異体における接合後の各段階における葉緑体DNAの変化を追跡した。接合子における雄葉緑体核様体の消失現象は正常に観察されていたのに対し、接合胞子が減数分裂をおこなって栄養細胞にある段階で起きる雌葉緑体DNAの複製に異常が観察されたことから、RecAは雌葉緑体DNAの複製を促進することにより、葉緑体DNAの母性遺伝を保障している可能性が示された。一方クリプトコッカスにおいて、ミトコンドリア核様体の可視化に成功し、その挙動を観察したところ、雄由来のミトコンドリア核様体が選択的に消失し、核様体を失ったミトコンドリアはオートファジーによって除去されることが明らかになった。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Step-wise elimination of α-mitochondrial nucleoids and mitochondrial structure as a basis for the strict uniparental inheritance in Cryptococcus neoformans (2020)
  • Author(s): Nishimura Yoshiki、Shikanai Toshiharu、Kawamoto Susumu、Toh-e Akio
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 2468-2468
  • DOI: 10.1038/s41598-020-59277-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Isolation and characterization of Chlamydomonas autophagy-related mutants in nutrient-deficient conditions. (2018)
  • Author(s): Kajikawa, M., Yamauchi, M., Shinkawa, H., Tanaka, M., Hatano, K., Nishimura, Y., Kato, M., Fukuzawa, H.
  • Journal Title: Plant Cell Physiology Volume: 60 Issue: 1 Pages: 126-138
  • DOI: 10.1093/pcp/pcy193
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Chloroplast nucleoids as a transformable network revealed by live imaging with a microfluidic device (2018)
  • Author(s): Kamimura Yoshitaka、Tanaka Hitomi、Kobayashi Yusuke、Shikanai Toshiharu、Nishimura Yoshiki
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 1:47 Issue: 1 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1038/s42003-018-0055-1
  • NAID: 120006469191
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Identification of Holliday junction resolvases crucial for the chloroplast nucleoid morphology and segregation (2018)
  • Author(s): Kobayashi Yusuke、Misumi Osami、Nishimura Yoshiki
  • Journal Title: PLANT MORPHOLOGY Volume: 30 Issue: 1 Pages: 73-81
  • DOI: 10.5685/plmorphol.30.73
  • NAID: 130007622405
  • ISSN: 0918-9726, 1884-4154
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 葉緑体DNAの分配を司るホリデイジャンクション解離酵素の発見 (2018)
  • Author(s): 西村芳樹
  • Journal Title: バイオサイエンスとインダストリー Volume: 76(5) Pages: 404-404
• [Journal Article] 葉緑体核様体の進化と構造のダイナミクス (2018)
  • Author(s): 小林優介、三角修己、西村芳樹
  • Journal Title: 化学と生物 Volume: 56(10) Pages: 651-658
• [Journal Article] ゲノム編集の時代における「緑の酵母」クラミドモナスの復権 (2018)
  • Author(s): 浜地貴志・西村芳樹
  • Journal Title: 生物工学 Volume: 96(8) Pages: 475-475
• [Presentation] 葉緑体核様体分裂のダイナミズム (2020)
  • Author(s): 西村芳樹、小林優介、三角修己
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
• [Presentation] HMGタンパク質がクラミドモナスの葉緑体DNA凝集をコントロールする (2020)
  • Author(s): 田草川真理, 浜地貴志, 深尾陽一郎,日高久美, 小林優介,遠藤政幸, 杉山弘, 鹿内利治, 西村芳樹
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 緑色植物進化における葉緑体DNAリガーゼのバクテリア型から真核生物型への機能移譲 (2019)
  • Author(s): 浜地貴志
  • Organizer: 第15回京大植物縦横無尽の会ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] 葉緑体核様体構造タンパク質と母性遺伝の関連性の発見 (2019)
  • Author(s): 田草川真理, 浜地貴志, 日高久美, 遠藤政幸, 杉山弘, 鹿内利治, 西村芳樹.
  • Organizer: 第14回植物縦横無尽の会
• [Presentation] 葉緑体核様体の新奇光応答反応～光分散・暗集合反応～ (2019)
  • Author(s): 石原静圭、坂下幸汰、石田悠介、木森義隆、西村芳樹、小林優介、西村いくこ、岩渕功誠
  • Organizer: 第8回近畿植物学会講演会
• [Presentation] オートファジーに依存した緑藻Chlamydomonas reinhardtiiの生存と油脂蓄積 (2019)
  • Author(s): 梶川昌孝、山内万里花、新川はるか、田中学、幡野恭子、西村芳樹、加藤美砂子、福澤秀哉
  • Organizer: 2019年度藻類談話会
• [Presentation] 葉緑体の「染色体」が魅せるダイナミズム (2019)
  • Author(s): 西村芳樹
  • Organizer: 第9回 機能制御学セミナー/第4回 新領域開拓セミナー
  • Invited
• [Presentation] HMG1 has common domain structure to major mitochondrial nucleoid protein and controls the level of cpDNA compaction in Chlamydomonas reinhardtii (2019)
  • Author(s): Mari Takusagawa, Takashi Hamaji, Kumi Hidaka, Masayuki Endo, Hiroshi Sugiyama, Toshiharu Shikanai and Yoshiki Nishimura
  • Organizer: Japan-US binational meeting
• [Presentation] Bacterial-to-eukaryotic takeover of chloroplast DNA ligase function in land plants. (2019)
  • Author(s): Takashi Hamaji, Yusuke Kobayashi, Shohei Yamaoka, Toshiharu Shikanai, Yoshiki Nishimura
  • Organizer: Marchantia Workshop 2019
  • Invited
• [Presentation] 葉緑体局在型DNAリガーゼの同定とその欠損株における葉緑体核様体異常 (2019)
  • Author(s): 西村芳樹、小林優介、 浜地貴志、松尾拓哉、鹿内利治
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] 緑色植物における葉緑体DNAリガーゼのバクテリア型から真核生物型への機能移譲 (2019)
  • Author(s): 浜地貴志, 小林優介, 山岡尚平, 鹿内利治, 西村芳樹
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] 葉緑体核様体のかたちを司るDNAリガーゼの同定 (2019)
  • Author(s): 西村芳樹、小林優介、 浜地貴志、松尾拓哉、鹿内利治
  • Organizer: 第１３回クラミドモナス研究会
• [Presentation] 緑色植物進化における葉緑体DNAリガーゼのバクテリア型から真核生物型への機能移譲 (2019)
  • Author(s): 浜地貴志, 小林優介, 山岡尚平, 鹿内利治, 西村芳樹
  • Organizer: 第13回クラミドモナス研究会
• [Presentation] 葉緑体核様体タンパク質HMG1は2つのDNA結合ドメインで核様体のサイズを制御する (2019)
  • Author(s): 田草川真理、浜地貴志、鹿内利治、西村芳樹
  • Organizer: 第１３回クラミドモナス研究会
• [Presentation] Chloroplast chromosomes on the move - Exploring the dynamics of chloroplast nucleoids - (2018)
  • Author(s): Yoshiki Nishimura
  • Organizer: 理研/ERATO/CSRSセミナー
  • Invited
• [Presentation] 葉緑体核様体ネットワークの動態制御機構 (2018)
  • Author(s): 西村 芳樹，浜地 貴志，小林 優介，鹿内 利治
  • Organizer: 日本植物学会第８２回大会
• [Presentation] Dynamic network structure of chloroplast nucleoids. (2018)
  • Author(s): Yoshiki Nishimura, Yusuke Kobayashi, Yoshitaka Kamimura, Osami Misumi, Toshiharu Shikanai
  • Organizer: 1st Asia-Oceania International Congress on Photosynthesis.
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 葉緑体核様体のダイナミクスと進化 (2018)
  • Author(s): 西村芳樹
  • Organizer: SIC研究部セミナー
  • Invited
• [Presentation] Dynamic transformable network of chloroplast nucleoids. (2018)
  • Author(s): Yoshiki Nishimura, Yusuke Kobayashi, Yoshitaka Kamimura, Osami Misumi, Toshiharu Shikanai.
  • Organizer: International symposium on photosynthesis and chloroplast biogenesis.
• [Presentation] Dynamic Network Structure of Chloroplast Nucleoids. (2018)
  • Author(s): Yoshiki Nishimura, Yusuke Kobayashi, Yoshitaka Kamimura, Osami Misumi, Toshiharu Shikanai, Mari Takusagawa, Yusuke Kobayashi, Yoichiro Fukao, Isamu Miyakawa, Toshiharu Shikanai.
  • Organizer: 18th International Conference on the Cell and Molecular Biology of Chlamydomonas
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ボルボックス系列異型配偶ユードリナにおける配偶子誘導要因の解析 (2018)
  • Author(s): 豊岡 博子，浜地 貴志，西村 芳樹，宮城島 進也，箕浦 高子，野崎 久義
  • Organizer: 日本植物学会第８２回大会
• [Presentation] 母性遺伝メカニズムの解明に向けたクラミドモナス有性生殖のゲノム編集アプローチ (2018)
  • Author(s): 浜地 貴志，山岡 尚平，鹿内 利治，西村 芳樹
  • Organizer: 日本植物学会第８２回大会
• [Presentation] 雌雄異株種・同株種ボルボックスの性染色体領域・相同領域における比較ゲノム解析 (2018)
  • Author(s): 9.山本 荷葉子，浜地 貴志，豊岡 博子，新垣 陽子，野口 英樹，豊田 敦，水口 洋平，野崎 久義
  • Organizer: 日本植物学会第８２回大会
• [Presentation] Biological analysis of plastid nucleoid-associated HMG-box protein in Chlamydomonas reinhardtii. (2018)
  • Author(s): Mari Takusagawa, Yusuke Kobayashi, Yoichiro Fukao, Isamu Miyakawa, Toshiharu Shikanai, Osami Misumi, and Yoshiki Nishimura.
  • Organizer: International symposium on photosynthesis and chloroplast biogenesis.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Organelle nucleoid-associated HMG-box proteins may have been evolved independently through tandem domain duplications. (2018)
  • Author(s): 11.Mari Takusagawa, Yusuke Kobayashi, Yoichiro Fukao, Isamu Miyakawa, Toshiharu Shikanai, Osami Misumi, and Yoshiki Nishimura.
  • Organizer: 第14回植物縦横無尽の会
• [Presentation] Organelle nucleoid-associated HMG-box proteins may have been evolved independently through tandem domain duplications. (2018)
  • Author(s): Mari Takusagawa, Yusuke Kobayashi, Yoichiro Fukao, Isamu Miyakawa, Toshiharu Shikanai, Osami Misumi, and Yoshiki Nishimura.
  • Organizer: Gordon Research Conference, Mitochondria and Chloroplasts.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 核様体局在のHMGBタンパク質がDNA結合ドメインを２つもつ利点 (2018)
  • Author(s): 田草川真理, 小林優介, 深尾陽一朗, 日高久美, 遠藤政幸, 杉山弘, 宮川勇, 鹿内利治, 三角修己, 西村芳樹.
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会年会.
• [Remarks] 京都大学大学院理学研究科 植物分子遺伝学研究室
  • URL: http://www.bot.kyoto-u.ac.jp/j/5_iden.html