イネのミトコンドリア遺伝性の雄性生殖器官発育不全とそれをレスキューする核遺伝子

• Project Area: "Matryoshka"-type evolution of eukaryotes
• Project/Area Number: 24117502
• 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: Tohoku University
• Principal Investigator: 鳥山 欽哉 東北大学, (連合)農学研究科(研究院), 教授 (20183882)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2014-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2013: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2012: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 育種学 / 遺伝学 / 遺伝子 / 植物 / バイオテクノロジー

Research Abstract

植物のミトコンドリア遺伝病の代表例として雄性生殖器官発育不全（細胞質雄性不稔性；CMS）がある。ミトコンドリアの遺伝子によって花粉の発育不全を起こすが、その程度はミトコンドリアのハプロタイプによって異なるため、「オルガネラによる宿主支配」の１つと見ることができる。一方、核は、ミトコンドリアが原因の花粉発育不全をレスキューする遺伝子を進化させ、不妊を克服している。その代表例のひとつが、核に存在する稔性回復遺伝子(Rf)であり、ミトコンドリア遺伝子の転写後制御に関わっている。本研究では、イネを材料としてミトコンドリと核の遺伝子ネットワークの進化を明らかにするために、花粉発育不全を起こすミトコンドリア原因遺伝子と、核の稔性回復遺伝子について比較検討することにより、ミトコンドリア遺伝病とそれをレスキューする核遺伝子の分子機構解明を目的としている。
1.ミトコンドリア遺伝性の雄性生殖器官発育不全を引き起こすイネBT型ミトコンドリアゲノムの全塩基配列（536 kbp）を決定した。
2.イネBT型ミトコンドリア遺伝性雄性生殖器官発育をレスキューする核遺伝子であるRf1遺伝子座のまわりには、類似のRNA結合タンパク質（PPR）遺伝子がクラスターを形成して多数存在する。Rf1近傍300 kbのシークエンス解析を行い、そこに存在するPPR遺伝子を12個同定した。
3.野生イネ系統について、ミトコンドリア遺伝性の雄性生殖器官発育不全の原因であるミトコンドリア遺伝子atp6-orf79のRNAを調査したところ、RNA切断とRNA分解の両方が検出された。これらを制御する核遺伝子候補としてRf1の複対立遺伝子(PPR遺伝子)をPCRクローニングした。本研究で見出したPPR遺伝子の機能を調査することで、ミトコンドリと核の遺伝子ネットワークの進化を明らかにできると考えられた。

Current Status of Research Progress

Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Heterogeneity of the 5'-end in plant mRNA may be involved in mitochondrial translation (2013)
  • Author(s): T. Kazama., Y. Yagi., K. Toriyama., T. Nakamura
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 4 Pages: 1-4
  • DOI: 10.3389/fpls.2013.00517
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Whole mitochondrial genome sequencing and transcriptional analysis to uncover an RT102-type cytoplasmic male sterility-associated candidate gene derived from Oryza rufipogon (2013)
  • Author(s): Okazaki M, Kazama T, Murata H, Motomura K, Toriyama K
  • Journal Title: Plant Cell Physiol Volume: 54 Issue: 9 Pages: 1560-1568
  • DOI: 10.1093/pcp/pct102
  • NAID: 10031202077
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Re-sequencing of mitochondrial genes in a standard rice cultivar Nipponbare. (2013)
  • Author(s): 戸田拓士
  • Journal Title: RICE Volume: 6 Issue: 1 Pages: 2-2
  • DOI: 10.1186/1939-8433-6-2
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Whole genomic sequencing of RT98 mitochondria derived from Oryza rufipogon and northern blot analysis to uncover a cytoplasmic male sterility-associated gene (2013)
  • Author(s): Igarashi K, Kazama T, Motomura K, Toriyama K
  • Journal Title: Plant Cell Physiol Volume: 54 Issue: 2 Pages: 237-243
  • DOI: 10.1093/pcp/pcs177
  • NAID: 10031145665
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rice MPR25 encodes a pentatricopeptide repeat protein and is essential for RNA editing of nad5 transcripts in mitochondria. (2012)
  • Author(s): 戸田拓士
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: 72 Issue: 3 Pages: 450-460
  • DOI: 10.1111/j.1365-313x.2012.05091.x
  • Peer Reviewed
• [Presentation] イネ細胞質雄性不稔性／稔性回復に見られるミトコンドリアRNAのプロセッシング (2014)
  • Author(s): 鳥山欽哉、風間智彦
  • Organizer: 第55回日本植物生理学会シンポジウム
  • Place of Presentation: 富山大学、富山市
  • Invited
• [Presentation] 酵母ツーハイブリッド法とプルダウンアッセイによるイネLD型細胞質雄性不稔系統の稔性回復因子RF2と相互作用する因子の探索 (2013)
  • Author(s): 藤井慎也，風間智彦，伊藤幸博，小島創一，鳥山欽哉
  • Organizer: 第54回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 岡山大学（岡山市）
  • Year and Date: 2013-03-21
• [Presentation] RT98型細胞質雄性不稔性イネにおけるCMS原因遺伝子候補orf113の同定 (2013)
  • Author(s): 五十嵐圭介，風間智彦，本村恵二，鳥山欽哉
  • Organizer: 第54回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 岡山大学（岡山市）
  • Year and Date: 2013-03-21
• [Presentation] 野生イネ（Oryza rufipogon）8系統における稔性回復遺伝子と細胞質雄性不稔性原因遺伝子atp6-orf79の比較 (2013)
  • Author(s): 加納孝紘，風間智彦，鳥山欽哉
  • Organizer: 第54回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 岡山大学（岡山市）
  • Year and Date: 2013-03-21
• [Presentation] ミトコンドリアRNAの制御が花粉の運命を決定する (2013)
  • Author(s): 風間智彦・鳥山欽哉
  • Organizer: ３回植物RNA研究ネットワークシンポジウム
  • Place of Presentation: 北海道大学、札幌市
  • Invited
• [Presentation] Comparative study on cytoplasmic male sterility-associated genes, orf79, orf113, orf352, derived from Oryza rufipogon (2013)
  • Author(s): Toriyama, K., Igarashi, K., Okazaki, M., Motomura, K., Kazama, T.
  • Organizer: 7th International Rice Genetics Symposium
  • Place of Presentation: Manila, Philippines
• [Presentation] Determination of 5' and 3' ends of orf113 RNA associated with RT98-type cytoplasmic male sterility in rice (2013)
  • Author(s): Igarashi, K., Kazama, T., Motomyra, K., Toriyama, K.
  • Organizer: 7th International Rice Genetics Symposium
  • Place of Presentation: Manila, Philippines
• [Presentation] orf79をミトコンドリアに持つ細胞質雄性不稔イネの比較解析 (2013)
  • Author(s): 風間智彦・藤井慎也・鳥山欽哉
  • Organizer: 第31回日本植物細胞分子生物学会大会
  • Place of Presentation: 北海道大学、札幌市
• [Presentation] RT98型細胞質雄性不稔性原因遺伝子候補orf113の同定とリコンビナントタンパク質の毒性調査 (2013)
  • Author(s): 五十嵐圭介・風間智彦・本村恵二・鳥山欽哉
  • Organizer: 第31回日本植物細胞分子生物学会大会
  • Place of Presentation: 北海道大学、札幌市
• [Presentation] イネRT102型CMS原因遺伝子orf352の稔性回復系統におけるRNAプロセッシング (2013)
  • Author(s): 岡崎真之・風間智彦・本村恵二・鳥山欽哉
  • Organizer: 日本育種学会第124回講演会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学、鹿児島市
• [Presentation] 細胞質雄性不稔イネにおける稔性回復遺伝子Rf2の稔性回復効果の違いについての解析 (2013)
  • Author(s): 風間智彦・藤井慎也・板橋悦子・本村恵二・鳥山欽哉
  • Organizer: 日本育種学会第124回講演会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学、鹿児島市
• [Presentation] イネRT98型CMS原因遺伝子orf113の稔性回復系統におけるRNAプロセッシング (2013)
  • Author(s): 五十嵐圭介・風間智彦・本村恵二・鳥山欽哉
  • Organizer: 日本育種学会第124回講演会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学、鹿児島市
• [Presentation] イネのミトコンドリア遺伝性の雄性生殖器官発育不全とそれをレスキューする核遺伝子 (2013)
  • Author(s): 鳥山欽哉・風間智彦
  • Organizer: 第2回マトリョーシカ型生物学研究会
  • Place of Presentation: 京都市
• [Presentation] Struggle between mitochondria and nuclei exemplified by RT102-type cytoplasmic male sterility in rice. (2013)
  • Author(s): Okazaki, M., Kazama, T., Toriyama, K.
  • Organizer: 第2回マトリョーシカ型生物学研究会
  • Place of Presentation: 京都市
• [Presentation] Struggle between mitochondria and nuclei exemplified by RT98-type cytoplasmic male sterility in rice. (2013)
  • Author(s): Igarashi, K., Kazama, T., Toriyama, K.
  • Organizer: 第2回マトリョーシカ型生物学研究会
  • Place of Presentation: 京都市
• [Presentation] Struggle between mitochondria and nuclei exemplified by LD-type cytoplasmic male sterility in rice. (2013)
  • Author(s): Fujii, S., Kazama, T., Toriyama, K.
  • Organizer: 第2回マトリョーシカ型生物学研究会
  • Place of Presentation: 京都市
• [Presentation] Comparison of fertility restoration system in two types of cytoplasmic male sterility in rice. (2013)
  • Author(s): Kazama, T., Toriyama, K.
  • Organizer: 8th International Conference for Plant Mitochondrial Biology
  • Place of Presentation: Rosario, Argentina
• [Presentation] Analysis of mitochondrial genes causing pollen abortion and restorer of fertility genes in Oryza rufipogon (2012)
  • Author(s): Kano, T., Kazama, T., Toriyama, K.
  • Organizer: 10th International Symposium on Rice Functional Genomics
  • Place of Presentation: Chiang Mai, Thailand
  • Year and Date: 2012-11-21
• [Presentation] Rice MPR25 encodes a pentatricopeptide repeat protein and is not only essential for RNA editing of nad5 transcripts in mitochondria but for chloroplast function (2012)
  • Author(s): Toda, T., Fujii S., Noguchi, K., Kazama, T., Toriyama, K.
  • Organizer: 10th International Symposium on Rice Functional Genomics
  • Place of Presentation: Chiang Mai, Thailand
  • Year and Date: 2012-11-21
• [Presentation] Whole genomic sequencing of cytoplasmic male sterility (CMS) mitochondria derived from Oryza rufipogon to uncover CMS-associated genes (2012)
  • Author(s): Toriyama, K., Igarashi, K., Okazaki, M., Murata, H., Motomura, K., Kazama, T.
  • Organizer: 10th International Symposium on Rice Functional Genomics
  • Place of Presentation: Chiang Mai, Thailand
  • Year and Date: 2012-11-21
• [Presentation] A yeast two hybrid screening to search for protein that interact with RF2, a restorer of fertility of LD-type cytoplasmic male sterility in rice (2012)
  • Author(s): Fujii, S., Kazama, T., Ito, Y., Kojima, S., Toriyama, K.
  • Organizer: 10th International Symposium on Rice Functional Genomics
  • Place of Presentation: Chiang Mai, Thailand
  • Year and Date: 2012-11-21
• [Presentation] Genome barriers between mitochondria and nuclei exemplified by cytoplasmic male sterility/fertility restoration in rice (2012)
  • Author(s): Toriyama K, Kazama T
  • Organizer: 10th International Congress on Plant Molecular Biology
  • Place of Presentation: Jeju, Korea
  • Year and Date: 2012-10-21
  • Invited
• [Presentation] Search for proteins that interact with RF2, a restorer of fertility of LD-type cytoplasmic male sterility in rice (2012)
  • Author(s): Fujii S, Kazama T, Ito Y, Kojima S, Toriyama K
  • Organizer: 10th International Congress on Plant Molecular Biology
  • Place of Presentation: Jeju, Korea
  • Year and Date: 2012-10-21
• [Presentation] Comparison of mitochondrial transcripts between RT98A cytoplasmic male sterility line and RT98C fertility restorer line (2012)
  • Author(s): Igarashi K, Kazama T, Motomura K, Toriyama K
  • Organizer: 10th International Congress on Plant Molecular Biology
  • Place of Presentation: Jeju, Korea
  • Year and Date: 2012-10-21
• [Presentation] Identification of cytoplasmic male sterility associated-gene in RT102 cytoplasm derived from Oryza rufipogon. (2012)
  • Author(s): Kazama, T., Okazaki, M., Murata, H., Motomura, K., Toriyama, K.
  • Organizer: Endosymbiosis from Prokaryotes to Eukaryotic organelles International Meeting Munich 2012
  • Place of Presentation: Munich, Germany
  • Year and Date: 2012-10-10
• [Presentation] イネにおけるミトコンドリア遺伝性の花粉発育不全とそれをレスキューする核遺伝子 (2012)
  • Author(s): 鳥山欽哉・風間智彦
  • Organizer: 日本遺伝学会第84回大会
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡市）
  • Year and Date: 2012-09-24
  • Invited
• [Presentation] コメ産業の国際化を狙った新規ハイブリッドライス育種基盤の開発 (2012)
  • Author(s): 鳥山欽哉・風間智彦
  • Organizer: 日本育種学会第122回講演会
  • Place of Presentation: 京都産業大学（京都市）
  • Year and Date: 2012-09-14
  • Invited
• [Presentation] CMS系統RT98Aと稔性回復系統RT98CにおけるミトコンドリアmRNAの比較 (2012)
  • Author(s): 五十嵐圭介・風間智彦・本村恵二・鳥山欽哉
  • Organizer: 日本育種学会第122回講演会
  • Place of Presentation: 京都産業大学（京都市）
  • Year and Date: 2012-09-14
• [Presentation] 雄性不稔細胞質を持つ3種類の野生イネにおけるRf1アリルの比較解析 (2012)
  • Author(s): 加納孝紘・風間智彦・鳥山欽哉
  • Organizer: 日本育種学会第122回講演会
  • Place of Presentation: 京都産業大学（京都市）
  • Year and Date: 2012-09-14
• [Presentation] LD型細胞質雄性不稔イネに対する稔性回復因子RF2と相互作用するタンパク質の解析 (2012)
  • Author(s): 藤井慎也・風間智彦・伊藤幸博・小島創一・鳥山欽哉
  • Organizer: 日本育種学会第122回講演会
  • Place of Presentation: 京都産業大学（京都市）
  • Year and Date: 2012-09-14
• [Presentation] イネLD型細胞質雄性不稔系統における稔性回復因子RF2と相互作用するタンパク質の探索 (2012)
  • Author(s): 藤井慎也・風間智彦・伊藤幸博・小島創一・鳥山欽哉
  • Organizer: 第30回日本植物細胞分子生物学会大会
  • Place of Presentation: 奈良先端科学技術大学院大学（生駒市）
  • Year and Date: 2012-08-03
• [Presentation] 細胞質雄性不稔性イネRT98Aに対する稔性回復遺伝子のマッピング (2012)
  • Author(s): 五十嵐圭介・風間智彦・本村恵二・鳥山欽哉
  • Organizer: 第30回日本植物細胞分子生物学会大会
  • Place of Presentation: 奈良先端科学技術大学院大学（生駒市）
  • Year and Date: 2012-08-03
• [Presentation] WA型細胞質雄性不稔イネミトコンドリアにおけるorfB遺伝子の転写後制御に関する研究 (2012)
  • Author(s): 平脇佳弥・風間智彦・鳥山欽哉
  • Organizer: 第30回日本植物細胞分子生物学会大会
  • Place of Presentation: 奈良先端科学技術大学院大学（生駒市）
  • Year and Date: 2012-08-03
• [Remarks] 環境適応生物工学研究室
  • URL: http://www.agri.tohoku.ac.jp/bioadp/PukiWiki/index.php?FrontPage
• [Remarks] 東北大学サイエンスカフェ 第82回 エンジョイDNA～よくわかる遺伝子組み換え植物～
  • URL: http://www.youtube.com/watch?v=u6gU81x0VAQ&feature=youtu.be
• [Remarks] 環境適応生物工学研究室
  • URL: http://www.agri.tohoku.ac.jp/bioadp/PukiWiki/index.php?FrontPage
• [Remarks] 東北大学サイエンスカフェ「エンジョイDNA～よくわかる遺伝子組み換え植物～」
  • URL: http://www.youtube.com/watch?v=u6gU81x0VAQfeature=youtu.be
• [Patent(Industrial Property Rights)] イネRT型細胞質雄性不稔性原因遺伝子およびその利用 (2012)
  • Inventor(s): 鳥山欽哉・風間智彦・本村恵二・五十嵐圭介
  • Industrial Property Rights Holder: 東北大学・琉球大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2012-180824
  • Filing Date: 2012-08-17