シロイヌナズナの受精領域における配偶子間相互作用の研究

• 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: 19H04869
• 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: Yokohama City University
• Principal Investigator: 丸山 大輔 横浜市立大学, 木原生物学研究所, 助教 (80724111)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000); Fiscal Year 2020: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2019: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
• Keywords: シロイヌナズナ / 重複受精 / 卵細胞 / 中央細胞 / 助細胞 / 精細胞 / 花粉管 / 内部形質膜 / 受精領域 / 花粉管誘引 / アクチン / 細胞壁

Outline of Research at the Start

被子植物の生殖過程では重複受精の直前に，卵細胞と中央細胞という2つの雌性配偶子の間に生じる間隙へと2つの精細胞が送り込まれる.本研究は，受精領域というべきこの間隙がどのようなメカニズムによって形成されるのか，そしてオスとメスの配偶子の相互作用にどのような役割をはたしているか明らかにすることを目指す，そのために，この領域に存在するタンパク質の機能解析や形態観察を中心とした研究を展開する．

Outline of Annual Research Achievements

本研究ではシロイヌナズナ花粉管放出の直後、重複受精に先立って起こる雌雄の配偶子間相互作用について、卵細胞や助細胞の分泌タンパク質、精細胞の露出などの観点から解析を進めた。助細胞の分泌タンパク質の解析については、助細胞特異的に優性欠損型ACTIN8を発現させたときに花粉管誘引欠損が誘導されることがわかっていた。今年度は花粉管誘引ペプチドであるAtLURE1.2にCitrineを融合したレポーターラインを用いて解析し、AtLURE1.2の極性分泌におけるアクチン繊維形成の重要性を示すことができた。卵細胞の細胞外構造の機能解析については、COPII小胞形成異常を誘導する優性欠損型SAR1を発現させることで、卵細胞のタンパク質を阻害したところ、卵細胞と中央細胞の間に存在するパッチ状の細胞外構造が消失することが示されていた。今年度は優性欠損型SAR1を中央細胞特異的に発現させた。その結果、パッチ状構造の形成に欠損はみられなかったため、卵細胞を覆うパッチ状の細胞外構造の形成は卵細胞の分泌が中心になっていることを明らかにすることができた。これまでの研究で、精細胞を覆う内部形質膜とよばれる単膜系が花粉管内容物の放出直後受精領域で素早く崩壊する様子を観察しており、この膜崩壊が精細胞表面の露出させることで配偶子間相互作用に重要な役割をはたすことを提唱してきた。本年度は同様の崩壊が花粉管を培地上で伸ばしたときに確率的に起きる内容物放出でも観察されることを明らかにした。また、マンニトール溶液添加による浸透圧ショックによって誘導された内容物放出の場合は内部形質膜が安定に維持されることも示した。以上の結果から、内部形質膜の崩壊が花粉管放出と密接につながった生理的現象であることを示すことができた。

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

• [Int'l Joint Research] ケンタッキー大学(米国)
• [Journal Article] Persistent directional growth capability in Arabidopsis thaliana pollen tubes after nuclear elimination from the apex (2021)
  • Author(s): Motomura Kazuki、Takeuchi Hidenori、Notaguchi Michitaka、Tsuchi Haruna、Takeda Atsushi、Kinoshita Tetsu、Higashiyama Tetsuya、Maruyama Daisuke
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 2331-2331
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22661-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ARP2/3-independent WAVE/SCAR pathway and class XI myosin control sperm nuclear migration in flowering plants (2020)
  • Author(s): Ali Mohammad Foteh、Fatema Umma、Peng Xiongbo、Hacker Samuel W.、Maruyama Daisuke、Sun Meng-Xiang、Kawashima Tomokazu
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 117 Issue: 51 Pages: 32757-32763
  • DOI: 10.1073/pnas.2015550117
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Arabidopsis GEX1 Is a Nuclear Membrane Protein of Gametes Required for Nuclear Fusion During Reproduction (2020)
  • Author(s): Nishikawa Shuh-ichi、Yamaguchi Yuki、Suzuki Chiharu、Yabe Ayaka、Sato Yuzuru、Kurihara Daisuke、Sato Yoshikatsu、Susaki Daichi、Higashiyama Tetsuya、Maruyama Daisuke
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 11 Pages: 548032-548032
  • DOI: 10.3389/fpls.2020.548032
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The nuclear envelope protein KAKU4 determines the migration order of the vegetative nucleus and sperm cells in pollen tubes (2020)
  • Author(s): Goto Chieko、Tamura Kentaro、Nishimaki Satsuki、Maruyama Daisuke、Hara-Nishimura Ikuko
  • Journal Title: Journal of Experimental Botany Volume: 71 Issue: 20 Pages: 6273-6281
  • DOI: 10.1093/jxb/eraa367
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fertilization-Coupled Sperm Nuclear Fusion Is Required for Normal Endosperm Nuclear Proliferation (2019)
  • Author(s): Maruyama Daisuke、Higashiyama Tetsuya、Endo Toshiya、Nishikawa Shuh-ichi
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 61 Issue: 1 Pages: 29-40
  • DOI: 10.1093/pcp/pcz158
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 助細胞の細胞融合現象に異常を示すシロイヌナズナ変異体の解析 (2021)
  • Author(s): 丸山大輔、太田かおる、須﨑大地、木下哲
  • Organizer: 日本植物学会第 84回大会
• [Presentation] Morphology, dynamics, and function of unique membrane surrounding sperm plasma membrane. (2020)
  • Author(s): Maruyama, D., Izumi, R., Takeuchi, H., Higashiyama, T., Kinoshita, T., Motomura, K.
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] 卵装置の形態から迫る精細胞ポジショニング制御機構 (2019)
  • Author(s): 須崎大地、大井崇生、榎本早希子、荒井重雄、木下哲、丸山大輔
  • Organizer: 日本植物学会第 83回大会
• [Presentation] シロイヌナズナの雌性配偶体細胞におけるエピゲノム制御機構の解析 (2019)
  • Author(s): 鎌田千裕、長谷川綾子、殿崎薫、須崎大地、丸山大輔、木下哲
  • Organizer: 日本植物学会第 83回大会
• [Presentation] シロイヌナズナ花粉管における生体膜の頑健性と修復系の解析 (2019)
  • Author(s): 西牧皐樹、柳沢直樹、時田（松浦）公美、木下哲、東山哲也、丸山大輔
  • Organizer: 日本植物学会第 83回大会
• [Presentation] ヘテロ受精を利用した異種・倍数体間交雑における種子発達異常の回避 (2019)
  • Author(s): 前田愛、丸山大輔、木下哲
  • Organizer: 日本植物学会第 83回大会
• [Presentation] アクチン繊維形成が卵細胞の花粉管誘引に果たす役割の解析 (2019)
  • Author(s): 泉理恵、木下哲、丸山大輔
  • Organizer: 日本植物学会第 83回大会
• [Funded Workshop] Joint Meeting for Young Researchers on “Frontiers in Imaging Probes and Technologies (2019)