複二倍体種形成時の受粉・ゲノム安定性に機能する「鍵と鍵穴」因子の解析

2016 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
• Project/Area Number: 16H06470
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 渡辺 正夫 東北大学, 生命科学研究科, 教授 (90240522)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鈴木 剛 大阪教育大学, 教育学部, 教授 (10314444) ; 諏訪部 圭太 三重大学, 生物資源学研究科, 准教授 (50451612)
• Project Period (FY): 2016-06-30 – 2021-03-31
• Keywords: アブラナ科植物 / 雌雄間自他識別システム / 複二倍体種形成 / 生殖隔離 / 低分子RNA

Outline of Annual Research Achievements

高等植物の生殖過程には、「他の植物種と交雑することなく自らのゲノムを維持するシステム」が存在すると共に、種内の遺伝的多様性を保持する機構である自家不和合性(SI)による雌雄間自他識別システムがあり、これにはリガンド・レセプターという「鍵と鍵穴」が機能している。一方、「鍵と鍵穴」が機能せず、SI を失った複二倍体種も自然界には多く存在する。両親二倍体種は SI であり、その種から合成した人工複二倍体種も SI を維持するのに対して、栽培化の歴史の中で選抜された自然複二倍体種は自家和合性(SC)に変化している。本研究では、この変化に着目し、倍数性、ゲノム安定性という観点から、複二倍体種が SI、SC と変化できる分子機構に関わる「鍵と鍵穴」を領域内共同研究として展開し、解明することを目的とする。
本年度は、B. napusの自家和合性へのエピジェネティックな制御の関与の可能性、B. rapaにおける自家不和合性を制御するclass IIに分類されるS対立遺伝子間での優劣性の低分子RNA(smi2)による詳細な分子制御、イネ耐冷性における花粉への低分子RNAの関与、新規「鍵と鍵穴」であるUIのPUI, SUIを単離し、論文投稿を行った。さらに、受粉の場である乳頭細胞にストレス耐性関連因子が関与し、急速な伸長を制御していることを解明し、論文投稿を行った。
アウトリーチ活動も行い、80件を超える出前講義などを行い、講義後の手紙に対して、個別の返事を行い、実施した小学校、高校の教員からは高い評価を受けた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

B. napusの自家和合性については、交雑分離世代をすすめることで、その新奇な分離パターンと自家不和合性遺伝子の関係を調査しつつあり、計画に沿って、進展している。低分子RNAが関与する受粉に関連した現象に関して、論文発表を行うことができ、1つの論文にはこの科研費番号が記された形で発表でき、貢献できている。新規「鍵と鍵穴」であるPUI, SUIで制御される論文については、Nature Plantsに投稿して、良好なコメントが来ており、次年度には発表できる見込みであり、この点も計画に沿った研究の展開といえる。一方、未知の受粉関連因子では、乳頭細胞の伸長に関わる因子を同定し、受粉反応に関わる場の解明に向けて、緒をつけることができた。
アウトリーチ活動については、仙台市教育委員会、今治市教育委員会から感謝状を贈呈され、公式にこうした活動が評価されていると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

B. napusの人工、自然複二倍体同士の交雑後代(F2世代)において、自殖次代の形質評価を行い、S遺伝子座周辺のエピゲノム構造変化との関連性を調査する。起源地の異なるB. rapa系統間での一側性不和合性(UI)現象に関して、リガンドの特性を示す部分ペプチドの有機化学合成を行い、「鍵」分子の機能を有するかを検証する。また、B. rapa品種間でのUI遺伝子（PUI1, SUI1）の多様性とUI現象の関連を調査し、進化との観点で議論を行う。受粉時の鍵分子の1つと予測された低分子ペプチドについて、作出した機能破壊系統における受粉様態の変化を野生型と比較する。また、人工ペプチドによる実験系を構築し、受粉様態の人工的な再現が可能かどうか検証する。また、アウトリーチ活動を20件以上行い、国民への情報発信、社会貢献にも寄与する。

Remarks

新学術領域研究 植物新種誕生の原理 http://www.ige.tohoku.ac.jp/prg/plant/
東北大学 大学院生命科学研究科 植物分子育種分野 http://www.ige.tohoku.ac.jp/prg/watanabe/
アウトリーリ活動については http://www.ige.tohoku.ac.jp/prg/watanabe/activty/delivery/ 参照

Research Products

• [Int'l Joint Research] チューリッヒ大学(スイス)
  • Country Name: SWITZERLAND
  • Counterpart Institution: チューリッヒ大学
• [Int'l Joint Research] 天順大学/忠南大学(韓国)
  • Country Name: KOREA (REP. OF KOREA)
  • Counterpart Institution: 天順大学/忠南大学
• [Journal Article] Characterization of two PEBP genes, SrFT and SrMFT, in thermogenic skunk cabbage (Symplocarpus renifolius). (2016)
  • Author(s): Ito-Inaba, Y., Masuko-Suzuki, H., Maekawa, H., Watanabe, M., and Inaba, T.
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 6 Pages: 29440
  • DOI: 10.1038/srep29440
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Comparative analysis of microRNA profiles of rice anthers between cool-sensitive and cool-tolerant cultivars under cool-temperature stress. (2016)
  • Author(s): Maeda, S., Sakazono, S., Masuko-Suzuki, H., Taguchi, M., Yamamura, K., Nagano, K., Endo, T., Saeki, K., Osaka, M., Nabemoto, M., Ito, K., Kudo, T., Kobayashi, M., Kawagishi, M., Fujita, K., Nanjo, H., Shindo, T., Yano, K., Suzuki, G., Suwabe, K., and Watanabe, M.
  • Journal Title: Genes Genet. Syst. Volume: 91 Pages: 97-109
  • DOI: 10.1266/ggs.15-00056
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Identification of reference genes for quantitative expression analysis using large scale RNA-seq data of Arabidopsis thaliana and model crop plants. (2016)
  • Author(s): Kudo T, Sasaki Y, Terashima S, Matsuda-Imai N, Takano T, Saito M, Kanno M, Ozaki S, Suwabe K, Suzuki G, Watanabe M, Matsuoka M, Takayama S, Yano K
  • Journal Title: Genes Genet. Syst. Volume: 91 Pages: 111-125
  • DOI: 10.1266/ggs.15-00065
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Molecular characterization of genes encoding isoamylase-type debranching enzyme in tuberous root of sweet potato, Ipomoea batatas (L.) Lam. (2016)
  • Author(s): Nabemoto, M., Watanabe, R., Ohsu, M., Sato, K., Otani, M., Nakayachi, O, and Watanabe, M.
  • Journal Title: Plant Biotechnol. Volume: 33 Pages: 351-359
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.16.0926a
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Complex dominance hierarchy controlled by polymorphism of small RNAs and their targets. (2016)
  • Author(s): Yasuda, S., Wada, Y., Kakizaki, T., Tarutani, Y., Miura-Uno, E., Murase, K., Fujii, S., Hioki, T., Shimoda, T., Takada, Y., Shiba, H., Takasaki-Yasuda, T., Suzuki, G., Watanabe, M., and Takayama, S.
  • Journal Title: Nature Plants Volume: 3 Pages: 16206
  • DOI: 10.1038/nplants.2016.206
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ABA-mediated flexibility of female stigmatic papillae development in Arabidopsis thaliana. (2017)
  • Author(s): Egusa W, Takeda S, Ochiai K, Morimoto H, Sakazono S, Osaka M, Nabemoto M, Kagaya Y, Suzuki G, Watanabe M, Suwabe K
  • Organizer: International Plant & Animal Genome XXV
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pollen-cysteine rich peptide CR3 regulates pollen germination in Arabidopsis thaliana. (2017)
  • Author(s): Morimoto H, Egusa W, Arakawa C, Masuko-Suzuki H, Suzuki G, Watanabe M, Suwabe K
  • Organizer: International Plant & Animal Genome XXV
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] CR3, a pollen cysteine-rich peptide, induces pollen germination. (2016)
  • Author(s): Morimoto H, Egusa W, Arakawa C, Masuko-Suzuki H, Suzuki G, Watanabe M, Suwabe M
  • Organizer: The International Conference on Arabidopsis Research
  • Int'l Joint Research
• [Book] 植物学の百科事典 "植物の性" (2016)
  • Author(s): 渡辺正夫
  • Total Pages: 802(466-467)
  • Publisher: 丸善出版