Evolution of specificity: theory and a test using the plant self-incompatibility system

• Project Area: Evolutionary theory for constrained and directional diversities
• Project/Area Number: 20H04856
• 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: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 土松 隆志 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (60740107)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥10,270,000 (Direct Cost: ¥7,900,000、Indirect Cost: ¥2,370,000); Fiscal Year 2021: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2020: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
• Keywords: 自家不和合性 / 生殖 / 共進化 / 集団ゲノミクス / シミュレーション

Outline of Research at the Start

広く植物には、自他の花粉を見分けて自己の花粉のみを排除する自己認識機構「自家不和合性」が知られています。このような仕組みは、花粉側、雌しべ側それぞれで働くタンパク質が特異的に相手を認識することで成り立つと考えられています。本研究は、数理モデルと実験から、自家不和合性の進化を予測・再現することを通して、生物において特異性がうまれる仕組みについての理解を深めることを目標としています。

Outline of Annual Research Achievements

１点目として、野生集団におけるS対立遺伝子多様性の実態把握を行った。アブラナ科ハクサンハタザオ野生集団の約400個体についてリシークエンスデータ及びジェノタイピングからS対立遺伝子の配列同定を行った。その結果、優性レベルの異なる３種類のS対立遺伝子の中において、同一の特異性をもつとされるS対立遺伝子内にも、オス側因子・メス側因子の推定相互作用部位の中に非同義置換が多くみられることを明らかにした。また、ナス科ペチュニア属の自家不和合性個体約190個体についても、ロングリードシーケンサーを用いたRNA-seqによりオス側因子・メス側因子配列を網羅的に同定する新規手法を確立し、計53種類のS対立遺伝子を同定した。最近分化したと考えられるS対立遺伝子のペアを複数発見し、それらの間でオス側因子群のレパートリーの違いを見出すことで、S対立遺伝子の特異性分化の過程を考察した。2点目として、数理モデルによる新規S対立遺伝子進化条件の検討を行った。新規S対立遺伝子の進化と特異性のゆらぎとの関係について数理モデルを用いて検討を行ったところ、認識特異性がゆらいだ中間状態があることで新規S対立遺伝子が進化しやすくなること、またS対立遺伝子の優劣性と進化のしやすさについても関連がみられることが明らかになった。最後に、自家不和合性関連遺伝子を導入したシロイヌナズナを用いて、花粉管伸長、カルシウムシグナリング、花粉発芽のタイミングなどの観点から自家不和合性の表現型を定量する手法を確立し、そのゆらぎの実態を明らかにした。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Lille(フランス)
• [Journal Article] The selfing syndrome and beyond: diverse evolutionary consequences of mating system transitions in plants (2022)
  • Author(s): Takashi Tsuchimatsu, Sota Fujii
  • Journal Title: Philosophical Transactions of the Royal Society B Volume: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pollen Number and Ribosome Gene Expression Altered in a Genome-Editing Mutant of REDUCED POLLEN NUMBER1 Gene (2022)
  • Author(s): Kakui Hiroyuki、Tsuchimatsu Takashi、Yamazaki Misako、Hatakeyama Masaomi、Shimizu Kentaro K.
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 12 Pages: 1-13
  • DOI: 10.3389/fpls.2021.768584
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development and characterization of nuclear microsatellite markers to reveal the neutral demographic background of flower color polymorphism in <i>Geranium thunbergii</i> (Geraniaceae) (2021)
  • Author(s): Kurata Seikan、Sakaguchi Shota、Mishima Hitomi、Tsuchimatsu Takashi、Ito Motomi
  • Journal Title: Genes & Genetic Systems Volume: 96 Issue: 2 Pages: 99-104
  • DOI: 10.1266/ggs.20-00062
  • NAID: 130008064679
  • ISSN: 1341-7568, 1880-5779
  • Year and Date: 2021-04-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Evolution of seed mass associated with mating systems in multiple plant families (2021)
  • Author(s): Tateyama Hirofumi、Chimura Kaori、Tsuchimatsu Takashi
  • Journal Title: Journal of Evolutionary Biology Volume: 34 Issue: 12 Pages: 1981-1987
  • DOI: 10.1111/jeb.13949
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Massive rhizobial genomic variations associated with partner quality in Lotus-Mesorhizobium symbiosis (2020)
  • Author(s): Masaru Bamba, Seishiro Aoki, Tadashi Kajita, Hiroaki Setoguchi, Yasuyuki Watano, Shusei Sato, Takashi Tsuchimatsu
  • Journal Title: FEMS Microbiology Ecology Volume: 96 Issue: 12
  • DOI: 10.1093/femsec/fiaa202
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Double-locking mechanism of self-compatibility in Arabidopsis thaliana: the synergistic effect of transcriptional depression and disruption of coding region in the male specificity gene. (2020)
  • Author(s): Suwabe, K., Nagasaka, K., Windari, E. A., Hoshiai, C., Ota, T., Takada, M., Kitazumi, A., Masuko-Suzuki, H., Kagaya, Y., Yano, K., Tsuchimatsu, T., Shimizu, K. K., Takayama, S., Suzuki, G., and Watanabe, M.
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 11 Pages: 576140-576140
  • DOI: 10.3389/fpls.2020.576140
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Adaptive reduction of male gamete number in the selfing plant Arabidopsis thaliana (2020)
  • Author(s): Takashi Tsuchimatsu, Hiroyuki Kakui, Misako Yamazaki, Cindy Marona, Hiroki Tsutsui, Afif Hedhly, Dazhe Meng, Yutaka Sato, Thomas Studler, Ueli Grossniklaus, Masahiro M. Kanaoka, Michael Lenhard, Magnus Nordborg and Kentaro K. Shimizu
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Issue: 1 Pages: 2885-2885
  • DOI: 10.1038/s41467-020-16679-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Niche conservatism promotes speciation in cycads: the case of Dioon merolae (Zamiaceae) in Mexico (2020)
  • Author(s): Gutierrez-Ortega J.S., Salinas-Rodriguez M.M., Ito T., Perez-Farrera M.A., Vovides A.P., Martinez J.F., Molina-Freaner F., Hernandez-Lopez A., Kawaguchi L., Nagano A.J., Kajita T., Watano Y., Tsuchimatsu T., Takahashi Y., Murakami M.
  • Journal Title: New Phytologist Volume: 999 Issue: 6 Pages: 999-999
  • DOI: 10.1111/nph.16647
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] ペチュニア野生集団の自家不和合性遺伝子の網羅的同定とその進化動態 (2022)
  • Author(s): 前之園大雅、礒野一帆、畑井美穂、黒沼尊紀、上原浩一、久保健一、渡辺均、土松隆志
  • Organizer: 日本生態学会第69回全国大会
• [Presentation] ヒメミカヅキモにおける顕著なゲノムサイズ多型の進化的起源と発現パターンへの影響 (2022)
  • Author(s): 川口也和子、土金勇樹、 田中啓介、太治輝昭、豊田敦、西山智明、関本弘之、土松隆志
  • Organizer: 日本生態学会第69回全国大会
• [Presentation] 被子植物における自家不和合性の進化と喪失の遺伝的基盤 (2022)
  • Author(s): 土松隆志
  • Organizer: 基生研セミナー
  • Invited
• [Presentation] ペチュニア野生集団における自家不和合性遺伝子の網羅的探索と多様性把握 (2021)
  • Author(s): 前之園大雅、黒沼尊紀、上原浩一、久保健一、渡辺均、土松隆志
  • Organizer: 日本植物学会第85回大会
• [Presentation] ヒメミカヅキモ種内にみられる大規模なゲノムサイズ変異の進化的起源 (2021)
  • Author(s): 川口也和子、土金勇樹、 田中啓介、太治輝昭、豊田敦、西山智明、関本弘之、土松隆志
  • Organizer: 日本進化学会第23回東京大会
• [Presentation] ミヤコグサ-根粒菌共生におけるGxG相互作用に関連する植物遺伝子の探索 (2021)
  • Author(s): 番場大、青木誠志郎、梶田忠、瀬戸口浩彰、綿野泰行、佐藤修正、土松隆志
  • Organizer: 日本進化学会第23回東京大会
• [Presentation] Doing a postdoc in Europe: On the lab choice, fellowships, and career development (2021)
  • Author(s): 土松隆志
  • Organizer: EMBO-MBSJ Forum for Early Career Researchers: International Mobility and Exchange Opportunities for Japanese Early-Career Researchers: Experiences from Europe（第44回日本分子生物学会年会）
  • Invited
• [Presentation] 植物の適応戦略をゲノムから探る (2021)
  • Author(s): 土松隆志
  • Organizer: 千葉大学先進科学センター
  • Invited
• [Presentation] 自家不和合性と自家受精の進化のゲノム基盤 (2020)
  • Author(s): 土松隆志
  • Organizer: オンライン植物研究者の会
• [Presentation] 野生ペチュニアにおける自家不和合性遺伝子座の網羅的配列解析手法の確立 (2020)
  • Author(s): 前之園大雅、黒沼尊紀、上原浩一、渡辺均、土松隆志
  • Organizer: 日本進化学会第22回大会
• [Presentation] 全ゲノムデータからみたヒメミカヅキモの自殖系統におけるホメオログ間組み換え (2020)
  • Author(s): 川口也和子、土金勇樹、田中啓介、太治輝昭、豊田敦、西山智明、関本弘之、土松隆志
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
• [Presentation] 自殖種は他殖種より種子が小さいか？：メタ解析によるアプローチ (2020)
  • Author(s): 竪山裕文、土松隆志
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
• [Presentation] ゲノム量から明らかにするヒメミカヅキモの多様性 (2020)
  • Author(s): 土金勇樹、川口也和子、上原浩一、土松隆志
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
• [Presentation] マメ科植物-根粒菌共生関係における遺伝子型×遺伝子型 (G×G) 相互作用に関連する植物遺伝子座にかかる自然選択 (2020)
  • Author(s): 番場大、青木誠志郎、梶田忠、瀬戸口浩彰、綿野泰行、佐藤修正、土松隆志
  • Organizer: 日本共生生物学会第4回大会
• [Presentation] The evolutionary maintenance of diverse self-incompatibility systems in flowering plants (2020)
  • Author(s): Takashi Tsuchimatsu
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Book] 「マメ科植物の生育を促す根粒菌の多様性解明」『バイオスティミュラントハンドブック ～植物の生理活性プロセスから資材開発、適用事例まで～』 (2022)
  • Author(s): 番場大、佐藤修正、土松隆志
  • Total Pages: 500
  • Publisher: エヌ・ティー・エス
  • ISBN: 9784860437695
• [Remarks] Tsuchimatsu Lab
  • URL: https://tsuchimatsu.wordpress.com/