2019 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Determining the principles of the birth of new plant species: molecular elucidation of the lock-and-key systems in sexual reproduction |
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| Project/Area Number |
16H06468
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
上口 美弥子 (田中美弥子) 名古屋大学, 生物機能開発利用研究センター, 教授 (70377795)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松岡 信 名古屋大学, 生物機能開発利用研究センター, 教授 (00270992)
永江 峰幸 名古屋大学, シンクロトロン光研究センター, 助教 (90735771)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | gibberellin / ジベレリン合成酵素 / ジベレリン不活化酵素 / 構造解析 / 進化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
植物ホルモンジベレリン(GA)は、核内受容体GID1により受容され植物の成長を促す。申請者らが、シダ植物の造精器誘導がこのGID1-GAシステムを介することを 明らかにしたように(Science 2014)、GAは元来、生殖ホルモンとして機能していたと考えられる。さらに、我々はシダと被子植物GID1の構造を比較し、GID1と GA の共進化を提案した(Nature 2008). また、GAの不活化と合成酵素との間においては、生殖過程における進化的軍拡競争が起きていることが予想された。以上 の 研究背景に基づき、我々はシダから被子植物までの様々な進化段階におけるGID1とGAおよび、GA不活化・合成酵素について構造と活性の相関を調べ、共進化の 分 子機構を解析する。そのために、(1)シダから種子植物までの様々な進化段階におけるGID1受容体と多様なGA分子種との構造や結合特性の解析(2) GAの合成・不 活化酵素の結晶化と解析(3)DELLAタンパク質の構造解析(4) 生殖関連アソシエーション解析、を行う。
以上の研究目的を達成するため、以下の研究を行った。(1)に関しては、すでに論文としてまとめている。(2)不活化酵素に関して論文にまとめている。(3)DELLAタンパク質の構造解析に向けて、サーマルシフトアッセイを行い、様々な添加物によるイネのDELLAタンパク質の安定性を定量的に解析し、良好な結果を与える添加物の存在下での結晶化を試みた。(4)に関しては、主成分分析により得られた主成分スコアを用いたGWAS解析を行った。その結果、ジベレリンシグナル伝達の抑制因子として報告されているSPINDLYがイネの稈長・分蘖数・穂構造といった生殖期における複数形質を制御していることを明らかにした。これらをまとめて、PNASに論文を投稿し受理された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
GA不活化酵素について、昨年度までに、GAの不活化酵素（GA2ox）の結晶構造解析による多量体形成による活性化機構について明らかにし論文を執筆した。
生殖過程における花粉特異的なGA合成酵素GA3ox1について、イネ属の進化の中で、いつ誕生し、いつ特殊な活性型GAであるGA7の合成に関わるようになったかを、野々村班、赤木班、名古屋大学の水多陽子氏、名古屋大学榊原均氏らとの共同研究により解析した。その結果、GGからFFゲノムに進化する過程で鍵となるアミノ酸が変化し、酵素活性としてGA7高変換のポテンシャルができたことを、構造解析結果を基に明らかにすることができた。一方、GA3ox1の遺伝子発現についても、GG→FF→BB→AAと進化するに伴って茎・根を含む器官から徐々に葯特異的になったことにより茎葉や根の徒長デメリットが回避されたことが、葯での高発現を可能にしたと考えられた。このようにして、AAゲノムの時代になり花粉特異的にGA7の多量合成できるようになったことがAAゲノムイネの生殖に有利に働いたことを、形質転換体を用いて証明した。
(3)DELLAタンパク質の構造解析については、安定な複合体状態を探すために、様々なコンストラクト、結合最小限のペプチド、ホモログ間でのもっとも結晶化に適するタンパク質の決定等を行ったが、未だ構造解析に耐えうるようなタンパク質は得られていない。そこで、本年度は、リアルタイムPCR装置でタンパク質の安定化を調べるサーマルシフトアッセイを行うこととした。一方で、イネの生殖期の様々な形質を用いた主成分分析とそれによるGWAS解析により、この時期の形態にジベレリンシグナル伝達の別の抑制因子であるSPYが様々に関わることが明らかになった。この結果は、当初の研究予定では予想していなかった研究成果であり、全体を通しておおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
(2)のジベレリンの不活化酵素の結晶化と最終年度である次年度で論文として投稿する予定である。(3)DELLAタンパク質の結晶化に関しては、サーマルシフトアッセイにおいて良好な結果を与えた添加物を加える条件をさらに詳細に調べていき、結晶化を進めていく。花粉特異的に働くGA3ox1については、花粉にgametophyticに働くことが花粉の受粉能にどのような寄与をしているのかを糖代謝を中心に調べていく。具体的には、GA3ox1ノックアウト変異体と日本晴の花粉におけるデンプン量とその前駆体であるグルコース、スクロース、フルクトースの内生量を測定する。でんぷん合成経路のどこにGA3ox1がつくるGA7が関わるのかを明らかにする。重要なデンプン合成経路上の遺伝子のノックアウト変異体を作出し、花粉における表現型を観察するとともに、野生イネの進化との関係を調べる。
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Research Products
(7 results)
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[Presentation] Evolution of unique reproductive system using a high bioactive gibberellin in rice2020
Author(s)
Kawai Kyosuke, Takehara Sayaka, Kashio Toru, Morii Minami, Ito Aya, Furuumi Hiroyasu, Nonomura Ken-ichi, Akagi Takashi, Sakakibara hitoshi, Matsuoka Makoto, Ueguchi-Tanaka Miyako
Organizer
2020年3月、第61回植物生理学会年会、大阪
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