Stem cell formation by establishment of low auxin responsiveness

• Project Area: Principles of pluripotent stem cells underlying plant vitality
• Project/Area Number: 20H04884
• 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 University of Science
• Principal Investigator: 西浜 竜一 東京理科大学, 理工学部応用生物科学科, 教授 (70283455)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000); Fiscal Year 2021: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2020: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
• Keywords: オーキシン / 細胞リプログラミング / ゼニゴケ / 幹細胞 / 再生 / 幹細胞新生 / リプログラミング / 転写因子 / 頂端細胞

Outline of Research at the Start

陸上植物基部に位置する苔類ゼニゴケを用いた研究から、低いオーキシン応答性と幹細胞性との間に強い関連が示唆された。本研究では、低いオーキシンレベルと幹細胞新生の関係、分泌ペプチド信号伝達経路および新規成長調節物質経路との相互作用による異なるオーキシン応答能ゾーンの確立と、それによる幹細胞規定の仕組みを解明にする。また、幹細胞性の細胞塊となる変異体を用いてクロマチン状態を解析し、幹細胞の特徴を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

まずMpLAXRの細胞リプログラミングにおける機能について論文を発表した（Ishida et al. 2022）。
MpARF1のChIP-seq解析のデータを詳細に分析したところ、オーキシン応答性遺伝子であることが知られているMpC2HDZ遺伝子へのMpARF1タンパク質の結合が確認された。その他にも標的遺伝子として、複数の転写因子や分泌ペプチド信号伝達経路の遺伝子が含まれていた。
MpLAXR発現抑制因子候補の変異体におけるMpLAXR発現部位の解析は、MpWIPに関しては無性芽におけるMpLAXR発現領域の変動は見られなかったため、候補から除外した。その他の一部の変異体では無性芽が形成されなくなるため、成熟葉状体における幹細胞領域の蛍光顕微鏡観察で難航した。そこで、誘導過剰発現株を作出し、MpLAXR発現が低下するかどうかを調べることにした（本研究期間内に結果を得ることはできなかった）。
MpLAXR-GR株を用いてDexおよびシクロヘキシミド処理をしてRNA-seq解析を行い、標的遺伝子の候補を同定することができた。
オーキシンレポーターに関しては、作出したMpR2D2株の観察を行ったところ、mDIIのシグナルは検出されたが、DIIのシグナルが観察されなかった。新たなDR5型として、ゼニゴケで強いオーキシン応答性を示す遺伝子に着目し、その配列を用いてコンストラクトを作成した。
幹細胞調節に関わると推定されるMpCYP78A&EとMpAMP1の発現部位をPromoter:reporter株を作出して解析したところ、いずれの遺伝子も幹細胞領域を含む発現パターンを示した。またMpCYP78Aに関してはPromoter:CDS-reporter株を作出したところ、より幹細胞領域に限定されたパターンを示したことから転写後調節の可能性が示唆された。

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] Bristol University/The University of Edinburgh(英国)
• [Int'l Joint Research] Monash University(オーストラリア)
• [Int'l Joint Research] Gregor Mendel Institute(オーストリア)
• [Int'l Joint Research] CSIC-Universitat Politecnica de Valencia(スペイン)
• [Int'l Joint Research] Wageningen University(オランダ)
• [Int'l Joint Research] Bristol University/The University of Edinburgh(英国)
• [Int'l Joint Research] Monash University(オーストラリア)
• [Int'l Joint Research] Gregor Mendel Institute(オーストリア)
• [Int'l Joint Research] CSIC-Universitat Politecnica de Valencia(スペイン)
• [Journal Article] Diminished Auxin Signaling Triggers Cellular Reprogramming by Inducing a Regeneration Factor in the Liverwort <i>Marchantia polymorpha</i> (2022)
  • Author(s): Ishida Sakiko、Suzuki Hidemasa、Iwaki Aya、Kawamura Shogo、Yamaoka Shohei、Kojima Mikiko、Takebayashi Yumiko、Yamaguchi Katsushi、Shigenobu Shuji、Sakakibara Hitoshi、Kohchi Takayuki、Nishihama Ryuichi
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 63 Issue: 3 Pages: 384-400
  • DOI: 10.1093/pcp/pcac004
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Improved clearing method contributes to deep imaging of plant organs (2022)
  • Author(s): Sakamoto Yuki、Ishimoto Anna、Sakai Yuuki、Sato Moeko、Nishihama Ryuichi、Abe Konami、Sano Yoshitake、Furuichi Teiichi、Tsuji Hiroyuki、Kohchi Takayuki、Matsunaga Sachihiro
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 5 Issue: 1 Pages: 12-12
  • DOI: 10.1038/s42003-021-02955-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Identification of the sex-determining factor in the liverwort Marchantia polymorpha reveals unique evolution of sex chromosomes in a haploid system (2021)
  • Author(s): Miyuki Iwasaki Katsuyuki T. Yamato John L. Bowman Takayuki Kohchi et al
  • Journal Title: Current Biology Volume: 31 Issue: 24 Pages: 5522-5532.e7
  • DOI: 10.1016/j.cub.2021.10.023
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Coordination between growth and stress responses by DELLA in the liverwort Marchantia polymorpha (2021)
  • Author(s): Hernandez-Garcia Jorge、Sun Rui、Serrano-Mislata Antonio、Inoue Keisuke、Vargas-Chavez Carlos、Esteve-Bruna David、Arbona Vicent、Yamaoka Shohei、Nishihama Ryuichi、Kohchi Takayuki、Blazquez Miguel A.
  • Journal Title: Current Biology Volume: 31 Issue: 16 Pages: 3678-3686.e11
  • DOI: 10.1016/j.cub.2021.06.010
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development and Molecular Genetics of Marchantia polymorpha. (2021)
  • Author(s): Kohchi T, Yamato KY, Ishizaki K, Yamaoka S, Nishihama R.
  • Journal Title: Annu. Rev. Plant Biol. Volume: 72 Issue: 1 Pages: 677-702
  • DOI: 10.1146/annurev-arplant-082520-094256
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Plant stem cell research is uncovering the secrets of longevity and persistent growth (2021)
  • Author(s): Umeda Masaaki、Ikeuchi Momoko、Ishikawa Masaki、Ito Toshiro、Nishihama Ryuichi、Kyozuka Junko、Torii Keiko U.、Satake Akiko、Goshima Gohta、Sakakibara Hitoshi
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: Online ahead of print Issue: 2 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1111/tpj.15184
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Auxin Biology in Bryophyta: A Simple Platform with Versatile Functions (2021)
  • Author(s): Suzuki Hidemasa、Kohchi Takayuki、Nishihama Ryuichi
  • Journal Title: Cold Spring Harbor Perspectives in Biology Volume: 13 Issue: 3 Pages: a040055-a040055
  • DOI: 10.1101/cshperspect.a040055
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Induction of Multichotomous Branching by CLAVATA Peptide in Marchantia polymorpha (2020)
  • Author(s): Hirakawa Yuki、Fujimoto Toko、Ishida Sakiko、Uchida Naoyuki、Sawa Shinichiro、Kiyosue Tomohiro、Ishizaki Kimitsune、Nishihama Ryuichi、Kohchi Takayuki、Bowman John L.
  • Journal Title: Current Biology Volume: 30 Issue: 19 Pages: 3833-3840
  • DOI: 10.1016/j.cub.2020.07.016
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Design principles of a minimal auxin response system (2020)
  • Author(s): Kato Hirotaka、Mutte Sumanth K.、Suzuki Hidemasa、Crespo Isidro、Das Shubhajit、Radoeva Tatyana、Fontana Mattia、Yoshitake Yoshihiro、Hainiwa Emi、van den Berg Willy、Lindhoud Simon、Ishizaki Kimitsune、Hohlbein Johannes、Borst Jan Willem、Boer D. Roeland、Nishihama Ryuichi、Kohchi Takayuki、Weijers Dolf
  • Journal Title: Nature Plants Volume: 6 Issue: 5 Pages: 473-482
  • DOI: 10.1038/s41477-020-0662-y
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Apical stem cells sustaining prosperous evolution of land plants (2020)
  • Author(s): Nishihama Ryuichi、Naramoto Satoshi
  • Journal Title: Journal of Plant Research Volume: 133 Issue: 3 Pages: 279-282
  • DOI: 10.1007/s10265-020-01198-9
  • Open Access
• [Journal Article] Positional cues regulate dorsal organ formation in the liverwort Marchantia polymorpha (2020)
  • Author(s): Suzuki H, Harrison CJ, Shimamura M, Kohchi T, Nishihama R
  • Journal Title: J Plant Res. Volume: 133 Issue: 3 Pages: 311-321
  • DOI: 10.1007/s10265-020-01180-5
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] ゼニゴケにおけるジベレリンに関連し たメチル基転移酵素機能に影響する新 規変異体選抜 (2022)
  • Author(s): 下川瑛太，川村昇吾，Rui Sun，鈴木かおり，吉竹良洋，安居佑季子，西浜竜一，山岡尚平，増口潔，山口信次郎， 河内孝之
  • Organizer: 第63回 日本植物生理学会年会
• [Presentation] ゼニゴケ胞子体の蒴柄形成を制御する bHLH 型転写因子モジュールの解析 (2022)
  • Author(s): 守屋健太，Jeanne Loue-Manifel，西浜竜一，岡義人，松下智直，Gwyneth Ingram，Justin Goodrich，河内孝之，嶋田知生
  • Organizer: 第63回 日本植物生理学会年会
• [Presentation] ゼニゴケの配偶子器発生制御における MpBZR3 の機能解析 (2022)
  • Author(s): 古谷朋之，山岡尚平，石崎公庸，西浜竜一，荒木崇，河内孝之，福田裕穂，近藤侑貴
  • Organizer: 第63回 日本植物生理学会年会
• [Presentation] iTOMEI を用いた植物組織のディープイメージング (2022)
  • Author(s): 坂本勇貴，酒井友希，佐藤萌子，辻寛之，西浜竜一，河内孝之，松永幸大
  • Organizer: 第63回 日本植物生理学会年会
• [Presentation] ゼニゴケ配偶子器の発生を制御する非典型 BZR 転写因子 (2021)
  • Author(s): 古谷朋之，山岡尚平，石崎公庸，西浜竜一，荒木崇，河内孝之，福田裕穂，近藤侑貴
  • Organizer: 日本植物学会 第85回大会
• [Presentation] 組織透明化手法 iTOMEI を用いた深部イメージング (2021)
  • Author(s): 坂本勇貴，酒井友希，佐藤萌子，辻寛之，西浜竜一，河内孝之，松永幸大
  • Organizer: 日本植物学会 第85回大会
• [Presentation] 切ったらわかったゼニゴケの幹細胞形成とオーキシンの縁 (2021)
  • Author(s): 石田咲子、鈴木秀政、河内孝之、西浜竜一
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] ゼニゴケにおける CELL DIVISION CYCLE 25 の機能解析 (2021)
  • Author(s): 小田歩美，安喜史織，西浜竜一，河内孝之，梅田正明
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] ゼニゴケにおける植物特異的 BZR 転写因子の役割 (2021)
  • Author(s): 古谷朋之，山岡尚平，石崎公庸，西浜竜一，荒木崇，河内孝之，福田裕穂，近藤侑貴
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] MpBHLH35 はゼニゴケ胞子体の蒴柄形成を制御する (2021)
  • Author(s): 守屋健太，白川一，松田頼子，田村謙太郎，西浜竜一，岡義人，松下智直，西村いくこ，河内孝之， 嶋田知生
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 苔類ゼニゴケにおけるジベレリンを介した生殖器官形成のフィードバック制御 (2021)
  • Author(s): 川村昇吾，Rui Sun，Ran Wang，吉竹良洋，楠竜之介，西浜竜一，山岡尚平，河内孝之
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Marpolbase: ゼニゴケのための遺伝子情報および発現量データベースの開発 (2021)
  • Author(s): 谷澤靖洋，川村昇吾，矢倉勝，望月孝子，坂本美佳，山岡尚平，西浜竜一，大和勝幸，河内孝之， Chang Liu，Frederic Berger，中村保一
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] The conserved mechanism of production of new meristems in land plants, revealed from the liverwort Marchantia polymorpha (2020)
  • Author(s): 安居 佑季子, 塚本 成幸, 西浜 竜一, 河内 孝之, 石崎公庸
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] ゼニゴケの新規 DNA メチル化制御機構:植物と動物の狭間で (2020)
  • Author(s): 池田 陽子，十川 太輔，西浜 竜一，山岡 尚平，荒木 崇，河内 孝之，平山 隆志，大和 勝幸
  • Organizer: 日本植物学会 第84回大会
• [Presentation] 苔類ゼニゴケの無性芽発生における幹細胞系譜 (2020)
  • Author(s): 鈴木 秀政，Jill Harrison，嶋村 正樹，河内 孝之，西浜 竜一
  • Organizer: 日本植物学会 第84回大会
• [Presentation] ゼニゴケ仮根の先端成長におけるリン酸化と Ca2+ 結合を介した ROS 生成酵素の活性制御機構 (2020)
  • Author(s): 橋本 研志，阿部 尚明，板橋 武，石崎 公庸，西浜 竜一，河内 孝之，朽津 和幸
  • Organizer: 日本植物学会 第84回大会
• [Presentation] ゼニゴケの class II AS2 ファミリー遺伝子の機能解析 (2020)
  • Author(s): 小島 晶子，西浜 竜一，石田 咲子，丹所 卓也，高田 裕都， 河内 孝之，町田 泰則
  • Organizer: 日本植物学会 第84回大会
• [Remarks] 蛍光タンパク質の蛍光強度を維持したまま組織・器官を透明化できる動植物共通の透明化法開発に成功
  • URL: https://www.tus.ac.jp/today/archive/20220112_3221.html
• [Remarks] 半数体生物の性染色体上の性決定遺伝子を解明 ―コケがもつ現生生物最古の起源の性染色体―
  • URL: https://www.tus.ac.jp/today/archive/20211108_6372.html
• [Remarks] 東京理科大学理工学部応用生物科学科 西浜研究室ウェブサイト
  • URL: https://www.rs.tus.ac.jp/nishihama/
• [Remarks] 京都大学大学院生命科学研究科 遺伝子特性学分野ホームページ
  • URL: https://www.plantmb.lif.kyoto-u.ac.jp/publications/