Induction of zygotic development by paternal transcription factors and development of allopolyploid zygotes

• 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: 19H04868
• 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 東京都立大学, 理学研究科, 教授 (50285095)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000); Fiscal Year 2020: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2019: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
• Keywords: 受精 / 卵細胞 / 精細胞 / 受精卵 / 異質倍数性 / 父性転写因子 / イネ / コムギ / 異種交雑

Outline of Research at the Start

雌雄配偶子ゲノムが協調的に機能することによって受精卵は正常に発生する。本課題では、同質および異質交雑受精卵の発生機構を解析することにより、受精卵発生機構および異種間軋轢による胚発生不全機構を解明することを目的として、次の研究を遂行する。 (1) OsASGR-BBML1により発現制御を受けている遺伝子群を同定し、受精卵の初期発生過程における転写因子カスケードの実体に迫る。(2) 発生が進行する交雑正常胚と発生が停止してしまう交雑不全胚における異種ゲノムの保持状態を解析し、異質受精卵の発生機構の一端を明らかする。(3) 卵細胞の受精非依存的な分裂・発生機構を解明し、受精卵発生への理解に繋げる。

Outline of Annual Research Achievements

雌雄配偶子ゲノムが協調的に機能することによって受精卵は正常に発生する。本課題では、同質および異質受精卵の発生機構を解析することにより、受精卵発生機構および異種間軋轢による胚発生不全機構を解明することを目的として、次の研究を遂行した。
(1) OsASGR-BBML1の標的遺伝子群の同定および受精卵初期発生過程における転写因子カスケード：DD45プロモータ下でOsASGR-BBML1を発現する形質転換イネのライン群から高効率で卵細胞発生を行うラインを選抜した。さらに、卵細胞の1細胞トランスクリプトーム解析を試み、細胞1個で十分に再現性があるデータが得られる実験条件を特定し、現在はBBML1卵細胞のトランスクリプトームに取りかかっている。
(2) 異質交雑受精卵の発生プロファイルと異種ゲノムの保持・存在状態：電気融合させるイネ配偶子とコムギ配偶子の組み合わせ、数、および倍数性を検討した結果、作出した交雑受精卵が植物体にまで発生する条件を見出した。それら交雑植物がほぼコムギの形態を示したこと、およびフローサイトメトリー解析からイネ染色体・ゲノムが脱落していると推定された。植物体のゲノムシークエンス解析を進めたところ、当該交雑受精卵由来の植物体はコムギゲノムにイネゲノム断片が挿入されている可能性が示唆された。
(3) 卵細胞の受精非依存的な分裂・発生機構：卵細胞の自律的分裂を誘導するスベロイルアニリドヒドロキサム酸 (SAHA) の標的酵素（ヒストン脱アセチル化酵素）により発現が制御されている遺伝子群を特定し、受精誘導性・抑制性遺伝子群などとの比較解析を進めている。また、12種のSAHA誘導体のうち、3種に分裂誘導活性があることが判明した。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Effect of Paternal Genome Excess on the Developmental and Gene Expression Profiles of Polyspermic Zygotes in Rice (2021)
  • Author(s): Deushi Ryouya、Toda Erika、Koshimizu Shizuka、Yano Kentaro、Okamoto Takashi
  • Journal Title: Plants Volume: 10 Issue: 2 Pages: 255-255
  • DOI: 10.3390/plants10020255
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] In vitro fertilization system using wheat gametes by electric fusion. (2021)
  • Author(s): Maryenti T., Kato N., Ichikawa M., Okamoto T.
  • Journal Title: Methods Mol. Biol. Volume: in press
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In Vitro Production of Zygotes by Electrofusion of Rice Gametes (2020)
  • Author(s): Rahman Md Hassanur、Toda Erika、Okamoto Takashi
  • Journal Title: Methods Mol. Biol. Volume: 2122 Pages: 257-267
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-0342-0_18
  • ISBN: 9781071603413, 9781071603420
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] CRISPR/Cas9‐Based Genome Editing Using Rice Zygotes (2020)
  • Author(s): Toda Erika、Okamoto Takashi
  • Journal Title: Current Protocols in Plant Biology Volume: 5 Issue: 2
  • DOI: 10.1002/cppb.20111
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Gene Expression and Genome Editing Systems by Direct Delivery of Macromolecules Into Rice Egg Cells and Zygotes (2020)
  • Author(s): Toda Erika、Okamoto Takashi
  • Journal Title: BIO-PROTOCOL Volume: 10 Issue: 14
  • DOI: 10.21769/bioprotoc.3681
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 植物受精卵を用いたゲノム編集 (2020)
  • Author(s): 岡本 龍史、戸田絵梨香、加藤 紀夫
  • Journal Title: 植物の化学調節 Volume: 55 Pages: 52-56
  • NAID: 130008060503
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A CRISPR/Cas9-based genome-editing using rice zygotes (2020)
  • Author(s): Toda Erika、Okamoto Takashi
  • Journal Title: Current Protocol Plant Biology Volume: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gene expression and genome editing systems by direct delivery of macromolecules into rice egg cells and zygotes. (2020)
  • Author(s): Toda Erika、Okamoto Takashi
  • Journal Title: Bio Protocol Volume: -
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Polyspermy in angiosperms: Its contribution to polyploid formation and speciation (2020)
  • Author(s): Toda Erika、Okamoto Takashi
  • Journal Title: Molecular Reproduction and Development Volume: 87 Issue: 3 Pages: 374-379
  • DOI: 10.1002/mrd.23295
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Sperm entry into the egg cell induces the progression of karyogamy in rice zygotes. (2019)
  • Author(s): Ohnishi Y*, Kokubu I, Kinoshita T, Okamoto T.
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 印刷中 Issue: 8 Pages: 1656-1665
  • DOI: 10.1093/pcp/pcz077
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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] 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] イネ受精卵発生過程における雌雄配偶子の機能差および父性アリル依存的遺伝子発現による受精卵の発生誘導 (2019)
  • Author(s): 戸田絵梨香、岡本 龍史
  • Journal Title: アグリバイオ Volume: 4 Pages: 73-78
  • NAID: 40021921244
• [Presentation] Expression of Genes from Paternal Alleles in Rice Zygotes and Involvement of OsASGR-BBML1 in Initiation of Zygotic Developmen (2021)
  • Author(s): Rahman MH, Toda E., Kobayashi M., Kudo T., Koshimizu S., Takahara M., Iwami M, Watanabe Y., Sekimoto H., Yano K., Okamoto T.
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] Developmental profiles of inter-subfamily polyploid zygotes produced by the fusion of wheat and rice gametes (2021)
  • Author(s): Maryenti Tety., Takayoshi Ishii., Okamoto T.
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] ROS dynamics and GSH-mediated glutathione peroxidase functions in developing rice zygote (2021)
  • Author(s): Rattanawong K., Koiso N., Toda E., Tanaka M., Tsuji H., Okamoto T.
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Identification of proliferative cells among protoplasts prepared from rice scutellum callus (2021)
  • Author(s): Aini H., Nakahira O., Okamoto T.
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 単子葉植物イネ受精卵および初期胚における極性決定機構 (2021)
  • Author(s): 木下 温子、Maryenti Tety、Aini Hanifah、戸田 絵梨香、岡本 龍史
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナの花成における茎頂メリステムサイズとアイデンティティ転換 (2021)
  • Author(s): 渡辺真史, 岡本龍史, 木下温子
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] An efficient DNA- and selectable-marker-free genome-editing system using zygotes in rice and its possible application to other crop species. (2020)
  • Author(s): Toda E, Koiso N, Takebayashi A, Ichikawa M, Kiba T, Osakabe K, Osakabe Y, Sakakibara H, Kato N, Okamoto T.
  • Organizer: Keystone Symposia “Plant Genome Engineering: From Lab to Field”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] イネ受精卵と葉プロトプラストから作出した融合細胞における核合一および発生プロファイル (2020)
  • Author(s): 戸田絵梨香, 亀川拓夢, 岡本龍史
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
• [Presentation] Initiation of zygotic development and fertilization-independent egg division in rice” in the symposium of Frontiers of research on embryo and endosperm development: Induction of artificial apomixis (2020)
  • Author(s): Okamoto T.
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] ROS-level dynamics during development of zygote in rice (2020)
  • Author(s): Rattanawong K., Koiso N., Okamoto T.
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
• [Presentation] ムギ in vitro 受精系の確立 (2020)
  • Author(s): マリエンティ・テティ，加藤紀夫，市川雅子，岡本龍史
  • Organizer: 日本育種学会第137回講演会
• [Presentation] 倍数性コリアンダー作出に向けたカルス誘導，植物体再生およびプロトプラスト調製法の確立 (2020)
  • Author(s): 濱田光美，岡本龍史
  • Organizer: 日本園芸学会令和2年度春季大会
• [Presentation] An efficientDNA- and selectable-marker-free genome-editing system using zygotes in rice. (2019)
  • Author(s): Toda E, Koiso N, Takebayashi A, Ichikawa M, Kiba T, Osakabe K, Osakabe Y, Sakakibara H, Kato N, Okamoto T.
  • Organizer: Vienna International Science Conferences and Events Association, Plant Genome Editing & Genome Engineering II
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Gene expression and genome editing systems in rice by direct delivery of macromolecules into egg cell and zygote. (2019)
  • Author(s): Toda E, Koiso N, Takebayashi A, Ichikawa M, Kiba T, Osakabe K, Osakabe Y, Sakakibara H, Kato N, Okamoto T.
  • Organizer: EMBO Practical Course “Functional live imaging of plants”
  • Int'l Joint Research
• [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14回ムギ類研究会
  • Invited
• [Presentation] コムギ-トウモロコシ交雑受精卵の発生過程における片親ゲノムの選択的な脱落 (2019)
  • Author(s): 古野真由子, Tety Maryenti, 掛田克行, 岡本龍史
  • Organizer: 日本植物学会第 83 回大会
• [Presentation] 被子植物の受精に伴う遺伝子発現およびpaternal/maternal mRNA degradation の最初の報告 (2019)
  • Author(s): 大西 由之佑，永田 博基，戸田 絵梨香，國分 巌，岡本 龍史，木下 哲
  • Organizer: 日本植物学会第 83 回大会
• [Presentation] 被子植物の受精に伴うカルシウム応答性遺伝子発現および mRNA分解 (2019)
  • Author(s): 永田 博基，大西 由之佑，戸田 絵梨香，國分 巌，岡本 龍史，木下 哲
  • Organizer: 日本植物学会第 83 回大会
• [Book] 進化するゲノム編集vol. II (2020)
  • Author(s): 加藤 紀夫、戸田絵梨香、岡本 龍史
  • Publisher: NTS出版
• [Remarks] 植物発生生理学研究室ホームページ
  • URL: https://www.biol.se.tmu.ac.jp/labo.asp?ID=horcel
• [Remarks] 東京都立大学 植物発生生理学研究室
  • URL: https://www.biol.se.tmu.ac.jp/labo.asp?ID=horcel
• [Patent(Industrial Property Rights)] 配偶子融合を用いた細胞質雑種植物の作出法 (2020)
  • Inventor(s): 岡本龍史、マリエンティ テティ、石井孝佳、矢野健太郎
  • Industrial Property Rights Holder: 岡本龍史、マリエンティ テティ、石井孝佳、矢野健太郎
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2020-187279
  • Filing Date: 2020