受精卵発生における父性鍵因子の同定と異質倍数性受精卵の発生機構

• 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: 17H05845
• 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: Tokyo Metropolitan University
• Principal Investigator: 岡本 龍史 首都大学東京, 理学研究科, 教授 (50285095)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000); Fiscal Year 2018: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2017: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
• Keywords: 受精 / 卵細胞 / 精細胞 / 受精卵 / 異種交雑

Outline of Annual Research Achievements

同質受精卵および異質倍数性受精卵の発生機構を明らかにすることを目的に、主に下記3項目の研究を遂行した。
１．イネ受精卵発生における父性鍵因子の同定：受精後に父性アリル依存的に発現が誘導される遺伝子群を同定し、これらのうちAP2型転写因子であるOsASGR-BBML1をイネ卵細胞に異所的に発現させたところ、卵細胞が受精非依存的に核分裂・細胞分裂し、細胞塊にまで増殖した。さらに、受精卵中のBBML1の機能抑制を行ったところ、受精卵は第一分裂することなくその発生を停止した。これらの結果から、OsASGR-BBML1が受精卵発生の鍵因子である可能性が強く示唆された。
２．交雑受精卵の発生機構：コムギin vitro (IVF) 受精系を新たに確立し、イネIVF系と組み合わせることにより交雑受精卵（異質倍数性受精卵）の発生プロファイルを正確に観察・解析することを可能にした。イネ卵細胞とコムギ精細胞を融合させて作出した受精卵は球状胚まで発生を進めた一方で、雌雄を逆にした受精卵は核合一後に分裂をせずに発生を停止した。また、複数のイネ卵細胞と1個のコムギ精細胞を融合させた異質倍数性受精卵では、球状様胚からさらに発生が進んだ増殖細胞塊にまで発生を進めること、さらには、イネ-コムギ複合受精卵は植物体へと再分化した。これらの結果は、受精卵中における異種雌雄ゲノムの存在比とその交雑受精卵発生の関係性を明確にし、さらに、異種の雌雄配偶子の組み合わせの至適化により交雑不全を克服することができる可能性を強く示している。
３．単離卵細胞の受精非依存的な分裂・発生を誘導する化合物のスクリーニング：ヒストン脱アセチル化酵素阻害剤が卵細胞の自律的核・細胞分裂を引き起こすことを見出した。さらに、当該阻害剤の処理時間を調整することで、分裂率が向上するとともに、卵細胞がカルス塊にまで増殖することを明らかにした。

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

• [Int'l Joint Research] UC Berkeley(米国)
• [Journal Article] An efficient DNA- and selectable-marker-free genome-editing system using zygotes in rice (2019)
  • Author(s): Toda Erika、Koiso Narumi、Takebayashi Arika、Ichikawa Masako、Kiba Takatoshi、Osakabe Keishi、Osakabe Yuriko、Sakakibara Hitoshi、Kato Norio、Okamoto Takashi
  • Journal Title: Nature Plants Volume: 5 Issue: 4 Pages: 363-368
  • DOI: 10.1038/s41477-019-0386-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Expression of genes from paternal alleles in rice zygotes and involvement of OsASGR-BBML1 in initiation of zygotic development (2019)
  • Author(s): Rahman, H., Toda, E., Kobayashi, M., Kudo, T., Koshimizu, S., Takahara, M., Iwami, M., Watanabe, Y., Sekimoto, H., Yano, K., Okamoto, T.
  • Journal Title: Plant Cell Physiol. Volume: 60 Issue: 4 Pages: 725-737
  • DOI: 10.1093/pcp/pcz030
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] In vitro production of zygotes by electro-fusion of rice gametes. (2019)
  • Author(s): Rahman MH, Toda E., Okamoto T.
  • Journal Title: Methods Mol. Biol. Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Establishment of an In Vitro Fertilization System in Wheat (Triticum aestivum L.) (2019)
  • Author(s): Maryenti Tety、Kato Norio、Ichikawa Masako、Okamoto Takashi
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 60 Issue: 4 Pages: 835-843
  • DOI: 10.1093/pcp/pcy250
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] DNA demethylation by ROS1a in rice vegetative cells promotes methylation in sperm (2019)
  • Author(s): Kim M. Yvonne、Ono Akemi、Scholten Stefan、Kinoshita Tetsu、Zilberman Daniel、Okamoto Takashi、Fischer Robert L.
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 印刷中 Issue: 19 Pages: 9652-9657
  • DOI: 10.1073/pnas.1821435116
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effects of an imbalanced parental genome ratio on development of rice zygotes. (2018)
  • Author(s): Toda E, Ohnishi Y, Okamoto T.
  • Journal Title: Journal of Experimental Botany Volume: 印刷中 Issue: 10 Pages: 2609-2619
  • DOI: 10.1093/jxb/ery094
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cell cycle in egg cell and its progression during zygotic development in rice (2017)
  • Author(s): Sukawa Yumiko、Okamoto Takashi
  • Journal Title: Plant Reproduction Volume: 31 Issue: 1 Pages: 107-116
  • DOI: 10.1007/s00497-017-0318-x
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of gene expression system in egg cells and zygotes isolated from rice and maize (2017)
  • Author(s): Koiso Narumi、Toda Erika、Ichikawa Masako、Kato Norio、Okamoto Takashi
  • Journal Title: Plant Direct Volume: 1 Issue: 3
  • DOI: 10.1002/pld3.10
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Insights into Land Plant Evolution Garnered from the Marchantia polymorpha Genome. (2017)
  • Author(s): Bowman J, Kouchi T,..(106名）..Yokoyama R, ..(4名)
  • Journal Title: Cell Volume: 171 Issue: 2 Pages: 287-304
  • DOI: 10.1016/j.cell.2017.09.030
  • NAID: 120006353839
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of polyspermic zygote and possible contribution of polyspermy to polyploid formation in angiosperms. (2017)
  • Author(s): Okamoto T, Ohnishi Y, Toda E.
  • Journal Title: Journal of Plant Research Volume: - Issue: 3 Pages: 485-490
  • DOI: 10.1007/s10265-017-0913-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Nuclear migration during karyogamy in rice zygotes is mediated by continuous convergence of actin meshwork toward the egg nucleus. (2017)
  • Author(s): Ohnishi Y, Okamoto T.
  • Journal Title: Journal of Plant Research Volume: 130 Issue: 2 Pages: 339-348
  • DOI: 10.1007/s10265-016-0892-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Analysis of Proteins Enriched in Rice Gamete (2017)
  • Author(s): Okamoto Takashi
  • Journal Title: Methods Mol. Biol. Volume: 1669 Pages: 251-263
  • DOI: 10.1007/978-1-4939-7286-9_20
  • ISBN: 9781493972852, 9781493972869
  • Peer Reviewed
• [Presentation] イネ受精卵を用いたDNAおよび選抜マーカーフリーなゲノム編集技術の確立と他作物種への応用 (2019)
  • Author(s): 戸田絵梨香、古磯成美、Tety Maryenti、竹林有理佳、市川雅子、木羽隆敏、刑部敬史、刑部祐里子、榊原均、加藤紀夫、岡本龍史
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Establishment of an in vitro fertilization system in wheat (Triticum aestivum L.) (2019)
  • Author(s): Maryenti, T., Kato, N., Ichikawa, M., Okamoto, T.
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Development of gene expression and genome editing systems in rice egg cells and zygotes by directdelivery of macromolecules (2018)
  • Author(s): Okamoto, T.,Toda E. , Koiso, N., Rahman MH., Takebayashi, A., Ichikawa, M., Kiba, T., Osakabe, Y., Osakabe, T., Sakakibara, H., Kato, N.
  • Organizer: 25th International Congress on Sexual Plant Reproduction
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Genome editing in rice by direct delivery of preassembled CRISPR-Cas9 vectors or ribonucleoproteins into zygotes. (2018)
  • Author(s): Okamoto, T., Toda E., Koiso, N., Takebayashi, A., Ichikawa, M., Kiba, T., Osakabe, Y., Osakabe, T., Sakakibara, H., Kato, N.
  • Organizer: International Association for Plant Biotechnology Congress 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A paternally expressed transcription factor possibly initiates rice early zygotic development (2018)
  • Author(s): Rahman MH., Toda E., Ohnishi Y., Koiso N., Okamoto T.
  • Organizer: 25th International Congress on Sexual Plant Reproduction
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of an imbalanced parental genome ratio on development of rice zygotes and possible function of genes expressing in zygotes with paternal allele-specific manner (2018)
  • Author(s): Toda E., Kobayashi M., Takahara M., Ohnishi Y., Kudo T., Rahman MH., Watanabe Y., Iwami M., Yano K., Okamoto T.
  • Organizer: 25th International Congress on Sexual Plant Reproduction
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] in vitro 受精系：育種への展開 (2018)
  • Author(s): 岡本龍史
  • Organizer: 植物科学シンポジウム2018
  • Invited
• [Presentation] 精細胞侵入に伴う細胞内 Ca2+ レベルの上昇はイネ受精卵内の核合一を促進する (2018)
  • Author(s): 大西由之佑，國分巌，岡本龍史
  • Organizer: 日本植物学会第82回大会
• [Presentation] 植物受精卵への Cas9タンパク質-gRNA 複合体の直接導入によるゲノム編集技術の確立と応用 (2018)
  • Author(s): 戸田絵梨香、古磯成美、竹林有理佳、市川雅子、木羽隆敏、刑部敬史、刑部祐里子、榊原均、岡本龍史、加藤紀夫
  • Organizer: 日本植物学会第82回大会
• [Presentation] イネ初期受精卵発生における活性酸素種レベルの変動と発生に及ぼす影響 (2018)
  • Author(s): 古磯成美，戸田絵梨香，加藤紀夫，岡本龍史
  • Organizer: 第59回日本植物生理学会年会
• [Presentation] イネ受精卵へのCRISPR/Cas9ベクターおよびCas9タンパク質-gRNA複合体の直接導入によるゲノム編集技術の確立 (2018)
  • Author(s): 戸田絵梨香、古磯成美、竹林有理佳、市川雅子、木羽隆敏、刑部祐里子、岡本龍史、加藤紀夫
  • Organizer: 日本育種学会第133回講演会
• [Presentation] イネ受精卵への Cas9タンパク質 -gRNA 複合体の直接導入によるゲノム編集技術の確立 (2018)
  • Author(s): 戸田絵梨香、古磯成美、竹林有理佳、市川雅子、木羽隆敏、刑部祐里子、岡本龍史、加藤紀夫
  • Organizer: 第59回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 単離イネ卵細胞の受精非依存的な分裂および発生 (2018)
  • Author(s): 戸塚香里、須川友実子、岡本龍史
  • Organizer: 第59回日本植物生理学会年会
• [Presentation] A Paternally Expressed AP2-Type Transcription Factor, OsASGR-BBML1, Possibly Contribute to Early Zygotic Development in Rice (2018)
  • Author(s): Rahman MdH, Toda E, Kobayashi M, Kudo T, Ohnishi Y, Yano K, Okamoto T.
  • Organizer: 第59回日本植物生理学会年会
• [Presentation] In vitro fertilization system with isolated gametes: For basic and applied plant sciences (2017)
  • Author(s): Okamoto T. Toda E., Kakeda K., Ohnishi Y.
  • Organizer: VISCEA Conference on Plant Cells In Vitro: Fundamentals and Applications II
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Possible contribution of a paternally expressed AP2-type transcription factor to early zygotic development in rice (2017)
  • Author(s): Rahman MdH, Toda E, Kobayashi M, Kudo T, Ohnishi Y, Yano K, Okamoto T.
  • Organizer: Taiwan-Japan Plant Biology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of imbalanced parental genome ratio on zygotic development and possible function of genes expressing in zygotes with paternal allele-specific manner (2017)
  • Author(s): Toda, E., Kobayashi, M., Takahara, M., Ohnishi Y., Rahman, H., Watanabe, Y., Iwami M., Sekimoto, H., Yano, K., Okamoto, T.
  • Organizer: Cold Spring Harbor Asia Conference on Plant Cell and Developmental Biology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of gene expression system in egg cell and zygote isolated from rice and maize (2017)
  • Author(s): Toda E, Koiso N, Tunashima M, Kato N, Okamoto T.
  • Organizer: Vienna International Science Conferences and Events Association, Plant Transformation & Biotechnology IV
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] イネ受精卵初期発生における父性鍵因子の探索および解析 (2017)
  • Author(s): 岩見百華、戸田絵梨香、小林正明、高原美嶺、大西由之佑、関本弘之、矢野健太郎、岡本龍史
  • Organizer: 日本植物学会第81回大会
• [Presentation] トウモロコシ受精卵への物質導入と植物体再生 (2017)
  • Author(s): 加藤紀夫、戸田絵梨香、市川雅子、岡本龍史
  • Organizer: 第35回日本植物細胞分子生物学会大会
• [Presentation] 植物卵細胞・受精卵を用いた一過的遺伝子発現系の確立および受精卵発生機構の解析へ向けた利用 (2017)
  • Author(s): 古磯成美、戸田絵梨香、綱島雅子、加藤紀夫、岡本龍史
  • Organizer: 日本植物学会第81回大会
• [Presentation] イネ受精卵発生カスケードに与えるCa2+イオンの影響 (2017)
  • Author(s): 國分巌、大西由之佑、岡本龍史
  • Organizer: 日本植物学会第81回大会
• [Remarks] 首都大学東京 植物発生生理学研究室ホームページ
  • URL: http://www.biol.se.tmu.ac.jp/labo.asp?ID=horcel
• [Remarks] 首都大学東京 植物発生生理学研究室
  • URL: http://www.biol.se.tmu.ac.jp/labo.asp?ID=horcel