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2013 Fiscal Year Annual Research Report

アーバスキュラー菌根共生系から根粒共生系への進化基盤の解明

Planned

Project AreaGenetic bases for the evolution of complex adaptive traits
Project/Area Number 22128006
Research InstitutionNational Institute for Basic Biology

Principal Investigator

川口 正代司  基礎生物学研究所, 共生システム研究部門, 教授 (30260508)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 齋藤 勝晴  信州大学, 農学部, 准教授 (40444244)
Project Period (FY) 2010-04-01 – 2015-03-31
Keywordsアーバスキュラー菌根菌 / 根粒形成 / 共生 / 進化 / 茎頂メリステム / 数理解析 / 進化ダイナミクス
Outline of Annual Research Achievements

1 植物共生菌のゲノム解析:共生関連遺伝子を同定するため、アーバスキュラー菌根菌(AM菌)より分岐年代の古いEndogonales目のSphaerocreas pubescenes (共生性) とEndogone pisiformis(腐生性)のドラフトゲノム配列49.6 Mbと59.7 Mbをそれぞれ決定した。これらのゲノムからRNA-seqを用いて遺伝子を予測し、他の真菌の遺伝子群の比較解析を行った結果、AM菌と同様に共生性のS. pubescebesはprotein-protein相互作用やシグナル伝達に関わる遺伝子を多くコードしている共通性が見いだされた。また、S. pubescebesはAM菌とは異なり、caspaseドメインを持つペプチド分解酵素の遺伝子数が増加していた。外生菌根菌のホンシメジのゲノムに関しては、現在PacBioを用いて解読を進めている。
2 菌根形成に関わる宿主植物の転写因子の解析:AM共生特異的に誘導される8つの転写因子の発現抑制個体を作出し、AM共生が不全な個体がいくつか得られた。その転写因子のターゲット遺伝子を同定するためRNA-seq解析を行っている。
3 糖修飾を受けたCLEペプチドの分子同定から、根粒形成と茎頂メリステム形成の制御系の分子レベルでの共通性が示された。
4 窒素固定細菌である根粒菌とマメ科植物との共生関係がどのように進化するのかを適応力学を用いて理論的解析を行った。その結果、共生関係の進化は窒素固定によるcostとbenefitのバランスに決定的に依存すること、および両者の効果が拮抗する条件において、窒素固定をしない「ぼったくり菌」が広く出現することが分かった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

AM菌より分岐年代が古く、難培養性のSphaerocreas pubescenesとEndogone pisiformisのドラフトゲノム配列が解読できたのは当初の計画以上の進展であった。またマメ科植物と根粒菌の進化ダイナミクスの数理解析から、窒素固定をしない「ぼったくり菌」が広く出現することの背景が見えてきた点も予想を上回る進展である。
一方で、外生菌根菌であるホンシメジについては、菌根や子実体の生育・取得が困難であったが、次世代シーケンサーで解析できる状況に改善した。

Strategy for Future Research Activity

AM菌のゲノム情報をもとに菌側のRNA-seq解析を行い、共生成立時と胞子形成時に発現変動する遺伝子を特定する。候補遺伝子についてはhost-induced gene silencing法を用いて 菌根形成における機能を解析する。また、共生菌の進化を解明するため、より起源の古いEndogeone属のゲノム解読を継続して行うとともに、高等菌類であるホンシメジのゲノム解読も行う。植物側の候補遺伝子につい ては、逆遺伝学的手法により機能解析を行う。
茎頂メリステムの維持及び制御ではWUSがCLE遺伝子の転写を直接誘導することが明らかにされている。根粒数を制御するCLE遺伝子 の発現を誘導するミヤコグサの転写因子を特定する。
根粒菌の窒素固定活性を戦略とした進化モデルを構築し、適応ダイナミクスによる理論的解析および数値シミュレ ーションによる解析を引き続き行う。共生関係の進化条件、さらには窒素固定をしない「ぼったくり菌」の出現条件や根粒の数の制御等を検討することにより、マメ科植物-根粒菌の共生の進化の理解を目指す。

Research Products

(10 results)

All 2014 2013

All Journal Article Presentation

  • [Journal Article] The genome of an arbuscular mycorrhizal fungus provides insights into the oldest plant symbiosis.2013

    • Author(s)
      Tisserant, E., Malbreil, M., Kuo, A., Kohler, A., Symeonidi, A., Balestrini, R., Charron, P., Duensing, N., dit Frey, N. F., Gianinazzi-Pearson, V., Gilbert, B., Handa, Y., Herr, J., Hijri, M., Koul, R., Kawaguchi, M. et al.
    • Journal Title

      Proc. Natl. Acad. Sci.

      Volume: 110 Pages: 20117-20122

    • DOI

      10.1073/pnas.1313452110.

  • [Journal Article] Root-derived CLE glycopeptides control nodulation by direct binding to HAR1 receptor kinase.2013

    • Author(s)
      Okamoto, S., Shinohara, H., Mori, T., Matsubayashi, Y., and Kawaguchi, M.
    • Journal Title

      Nat. Commun.

      Volume: 4 Pages: 2191

    • DOI

      10.1038/ncomms3191.

  • [Journal Article] CERBERUS and NSP1 of Lotus japonicus are common symbiosis genes that modulate arbuscular mycorrhiza development.2013

    • Author(s)
      Takeda, N., Tsuzuki, S., Suzaki, T., Parniske, M., and Kawaguchi, M.
    • Journal Title

      Plant Cell Physiol.

      Volume: 54 Pages: 1711-1723

    • DOI

      10.1093/pcp/pct114.

  • [Journal Article] Two distinct EIN2 genes cooperatively regulate ethylene signaling in Lotus japonicus.2013

    • Author(s)
      Miyata, K., Kawaguchi, M., and Nakagawa, T.
    • Journal Title

      Planct Cell Physiol.

      Volume: 54 Pages: 1469-77

    • DOI

      10.1093/pcp/pct095.

  • [Journal Article] Pattern dynamics in adaxial-abaxial specific gene expression are modulated by a plastid retrograde signal during Arabidopsis thaliana leaf development.2013

    • Author(s)
      Tameshige, T., Fujita, H., Watanabe, K., Toyokura, K., Kondo, M., Tatematsu, K., Matsumoto, N., Tsugeki, R., Kawaguchi, M., Nishimura, M., and Okada, K.
    • Journal Title

      PLoS Genet.

      Volume: 9 Pages: e1003655

    • DOI

      10.1371/journal.pgen.1003655.

  • [Journal Article] Genetic basis of cytokinin and auxin functions during root nodule development.2013

    • Author(s)
      Suzaki, T., Ito, M., and Kawaguchi, M.
    • Journal Title

      Frontiers in Plant Science

      Volume: 4 Pages: 42

    • DOI

      10.3389/fpls.2013.00042.

  • [Journal Article] Pattern formation by two-layer Turing system with complementary synthesis.2013

    • Author(s)
      Fujita, H. and Kawaguchi, M.
    • Journal Title

      J. Theor. Biol.

      Volume: 322 Pages: 33-45

    • DOI

      10.1016/j.jtbi.2013.01.008.

  • [Journal Article] Downregulation of NSP2 expression in developmentally young regions of Lotus japonicus roots in response to rhizobial inoculation.2013

    • Author(s)
      Murakami, Y., Yokoyama, H., Fukui, R., and Kawaguchi, M.
    • Journal Title

      Plant Cell Physiol.

      Volume: 54 Pages: 518-27

    • DOI

      10.1093/pcp/pct008.

  • [Presentation] アーバスキュラー菌根共生系から根粒共生系への進化基盤の解明2014

    • Author(s)
      川口 正代司
    • Organizer
      新学術領域 第2回領域会議
    • Place of Presentation
      鳥取大学鳥取キャンパス(鳥取県鳥取市)
    • Year and Date
      2014-03-15 – 2014-03-17
  • [Presentation] アーバスキュラー菌根共生系から根粒共生系への進化基盤の解明2013

    • Author(s)
      川口 正代司
    • Organizer
      新学術領域 第1回領域会議
    • Place of Presentation
      富山大学理学部(富山県富山市)
    • Year and Date
      2013-06-01 – 2013-06-03

URL: 

Published: 2016-06-01  

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