有性生殖の実現を可能にする発生ロジックの多元的かつ総合的理解

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Multidimensional Exploration of Logics of Plant Development
• Project/Area Number: 25113005
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 荒木 崇 京都大学, 生命科学研究科, 教授 (00273433)
• Project Period (FY): 2013-06-28 – 2018-03-31
• Keywords: 有性生殖 / 花成 / フロリゲン / 代謝 / シロイヌナズナ / 雄性配偶子 / 転写因子 / ゼニゴケ

Outline of Annual Research Achievements

研究項目１　フロリゲン（FT蛋白質）の輸送過程の時間的側面と輸送に関わるアミノ酸残基の同定に関する論文をまとめた（投稿済み・改訂中）。また、篩部伴細胞で発現させたFT:EGFP蛋白質が茎頂分裂組織全体に移動することを確認し、この輸送が阻害される突然変異体のスクリーニングをおこなった。茎頂におけるフロリゲン複合体形成に関しては、CPK33のkinase dead型を茎頂特異的に発現させることで花成遅延がおこることを示した論文を公表した。重金属結合蛋白質（NAKR1）遺伝子に変異を持つnakr1変異体の解析を進め、FT遺伝子の発現が大きく減少し、SPL遺伝子群のいくつかの発現も低下していることなどを見いだした。無機栄養環境による花成調節という観点から解析を進めている。
研究項目２　(A) 環境要因に応答した生殖器官の形成誘導：MpSPL1とMpSPL２の役割について解析を進めている。(B) 生殖器官分化・配偶子形成（雄性生殖器と精細胞）：トランスクリプトーム解析とメタボローム解析をおこない、前者の概要を論文として公表した。同定された造精器特異的転写因子のひとつMpDUO1に関しては、グレゴール・メンデル研究所（オーストリア）のBerger博士と河島博士、レスター大学（英国）のTwell教授らと共同研究をおこない、その成果をもとに投稿論文の準備を進めている。MpDUO1の下流に位置づけられるMpDAZについては、国際活動支援班のサポートにより招聘したTwell教授とHackenberg博士と共同研究を開始した。造精器特異的転写因子として報告したMpMS1に関しては、精原細胞の細胞増殖期に重要な役割を持つことを見いだし、研究を進めている。(D) 受精と初期胚発生：受精前後の造卵器のトランスクリプトーム解析を進め、いくつかの遺伝子について、ゲノム編集により機能喪失変異体を作出した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

研究項目１（シロイヌナズナ・花成）では、懸案であったフロリゲン（FT蛋白質）の輸送過程の時間的側面と輸送に関わるアミノ酸残基の同定に関して論文公表の見通しがついた。また、茎頂におけるフロリゲン複合体形成に関しては、FDをリン酸化するキナーゼの同定を完了し、論文公表を済ませた。成果公表が残っているのは14-3-3蛋白質であるが、実験は最終段階にかかっている。一方、代謝と花成の関わりについては、少し進捗が遅れているが、重金属結合蛋白質（NAKR1）遺伝子の変異nakr1の解析から、無機栄養環境による花成調節という新たな課題を見いだし、花成制御カスケードにおけるNAKR1の作用点を明らかにしつつある。これらのことからおおむね順調に進展していると考えている。
研究項目２（ゼニゴケ・有性生殖）では、懸案であった造精器のトランスクリプトーム解析の概要をまとめた論文を公表することができた。さらに、この解析により同定した造精器特異的転写因子のひとつMpDUO1に関する国際共同研究が順調に進んでおり、国際共著論文をまとめる段階に至っている。また、同じく造精器特異的転写因子のひとつでMpDUO1の下流因子であるMpDAZについても、新たに国際共同研究を開始することができた。これらは今年度の大きな進展である。さらに、やはり造精器特異的転写因子として同定したMpMS1に関しては、精原細胞の細胞増殖期に重要な役割を持つことを見いだすとともに、予想外の知見も得られたことから、新たな仮説のもとに研究を進めている。これは予期した以上の成果であった。環境要因に応答した生殖器官の形成誘導（主にMpSPL1とMpSPL２の役割）、受精と初期胚発生（受精前後の造卵器のトランスクリプトーム解析）についても、着実な進展があった。これらのことからおおむね順調に進展していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

両研究項目ともに、後半の研究期間での進展を期して研究を進める。
研究項目１では、FT蛋白質の輸送に関する研究成果、フロリゲン複合体形成に重要な14-3-3蛋白質遺伝子に関する研究成果をできるだけ早く公表できるように努力を継続する。前者については早期に投稿論文の改訂を終え、公表にこぎ着ける。代謝と花成の関連については、NAKR1を介した無機栄養環境による花成調節という観点からの研究の展開を期待している。このためには花成制御カスケードにおけるNAKR1の位置づけをまず明らかにする必要がある。現在の進捗状況から年度内に成果が期待できると考えている。また、無機栄養環境と概日時計の制御との関わりのような新たな研究の展開も期待している。
研究項目2については、DUO1に関する共同研究の成果（第一論文）の公表が急務であるが、着実に準備が進んでおり、来年度前半の公表を視野に完成を急ぐ。MpDUO1の制御標的遺伝子の網羅的な探索とシロイヌナズナ（AtDUO1）との比較、MpDAZの解析とシロイヌナズナ（AtDAZ1, 2）との比較については、国際活動支援班のサポートにより、今年度はその布石をおくことができたので、国外の複数の研究室との国際共同研究を展開できると期待している。被子植物との間で役割が保存された因子の解析に加えて、コケ植物に固有と思われる因子や被子植物と遺伝子は共通するが役割には大きな変化が生じたと考えられる因子（MpMS1はその好例）の解析も並行して進める。ゼニゴケを用いることではじめて明らかにすることができることも少なくないと想像する。これらによって、雄性生殖系列・配偶子形成に関して、陸上植物全体を視野に入れたより大きな枠組みを築くことが可能になると期待している。これまでの造精器のメタボローム解析の結果をまとめるとともに、Mpduo1やMpms1変異体を活かした解析を進める。

Remarks

前者は、現在、英語版を含めて内容の全面的な改定作業中である。
後者は、新学術領域研究のウェブサイトであり、本研究課題の成果や本研究課題に関連した活動も紹介されている。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Gregor Mendel Institute(Austria)
  • Country Name: Austria
  • Counterpart Institution: Gregor Mendel Institute
• [Int'l Joint Research] University of Leicester(United Kingdom)
  • Country Name: United Kingdom
  • Counterpart Institution: University of Leicester
• [Journal Article] フロリゲンFT タンパク質の関連分子と相互作用因子 (2016)
  • Author(s): 川本 望・丹羽 優喜・荒木 崇
  • Journal Title: 化学と生物 Volume: 54 Pages: 281-288
  • DOI: 10.1271/kagakutoseibutsu.54.281
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rapid and simple isolation of vascular, epidermal, and mesophyll cells from plant leaf-tissue (2016)
  • Author(s): Endo, M., Shimizu, H. and Araki, T.
  • Journal Title: Nature Protocols Volume: 11 Pages: in press
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Importance of epidermal clocks for regulation of hypocotyl elongation through PIF4 and IAA29 (2016)
  • Author(s): Shimizu, H., Katayama, K., Koto, T., Torii, K., Araki, T., and Endo, M.
  • Journal Title: Plant Signaling & Behavior Volume: 11 Pages: e1143999, 1-2
  • DOI: 10.1080/15592324.2016.1143999
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Marchantia: past, present, and future (Editorial) (2016)
  • Author(s): Bowman, J., Araki, T.* and Kohchi, T.
  • Journal Title: Plant & Cell Physiology Volume: 57 Pages: 205-209
  • DOI: 10.1093/pcp/pcw023
  • Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] The naming of names: guidelines for gene nomenclature in Marchantia (2016)
  • Author(s): Bowman, J., Araki, T., Arteaga-Vazquez, M., Berger, F., Dolan, L., Haseloff, J., Ishizaki, K., Kyozuka, J., Lin, S.-S., Nagasaki, H., Nakagami, H., Nakajima, K., Nakamura, Y., Ohashi-Ito, K., Sawa, S., Shimamura, M., Solano, R., Tsukaya, H., Ueda, T., Watanabe, Y., Yamato, K. T., Zachgo, S., and Kohchi, T.
  • Journal Title: Plant & Cell Physiology Volume: 57 Pages: 257-261
  • DOI: 10.1093/pcp/pcv193
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Transcriptional framework of male gametogenesis in the liverwort Marchantia polymorpha L. (2016)
  • Author(s): Higo, A., Niwa, M., Yamato, K. T., Yamada, L., Sawada, H., Sakamoto, T., Kurata, T., Shirakawa, M., Endo, M., Shigenobu, S., Ishizaki, K., Nishihama, R., Kohchi, T., and Araki, T.
  • Journal Title: Plant & Cell Physiology Volume: 57 Pages: 325-338
  • DOI: 10.1093/pcp/pcw005
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Tissue-specific regulation of flowering by photoreceptors (2016)
  • Author(s): Endo, M., Araki, T., and Nagatani, A.
  • Journal Title: Cellular and Molecular Life Sciences Volume: 73 Pages: 829-839
  • DOI: 10.1007/s00018-015-2095-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Expression of a kinase-dead form of CPK33 involved in florigen complex formation causes delayed flowering (2015)
  • Author(s): Kawamoto, N., Endo, M., and Araki, T.
  • Journal Title: Plant Signaling & Behavior Volume: 10 Pages: e1086856, 1-2
  • DOI: 10.1080/15592324.2015.1086856
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Decentralized circadian clocks process thermal and photoperiodic cues in specific tissues (2015)
  • Author(s): Shimizu, H., Katayama, K., Koto, T., Torii, K., Araki, T., and Endo, M.
  • Journal Title: Nature Plants Volume: 1 Pages: 15163, 1-6
  • DOI: 10.1038/nplants.2015.163
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] FE, a phloem-specific Myb-related protein, promotes flowering through transcriptional activation of FLOWERING LOCUS T and FLOWERING LOCUS T INTERACTING PROTEIN 1 (2015)
  • Author(s): Abe, M., Kaya, H., Watanabe-Taneda, A., Shibuta, M., Yamaguchi, A., Sakamoto, T., Kurata, T., Ausin, I., Araki, T., Alonso-Blanco, C.
  • Journal Title: Plant Journal Volume: 83 Pages: 1059-1068
  • DOI: 10.1111/tpj.12951
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Photoperiod sensitivity of the Arabidopsis circadian clock is tissue-specific (2015)
  • Author(s): Shimizu, H., Araki, T., Endo, M.
  • Journal Title: Plant Signaling & Behavior Volume: 10 Pages: e1010933, 1-2
  • DOI: 10.1080/15592324.2015.1010933
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Toward understanding the regulatory network of antherozoid formation using a liverwort Marchantia polymorpha (2016)
  • Author(s): Higo, A., Yamato, K. T., Kawashima, T., Ishizaki, K., Kohchi, T., Berger, F., and Araki, T.
  • Organizer: The 24th International Congress on Sexual Plant Reproduction
  • Place of Presentation: 米国アリゾナ州 Tucson
  • Year and Date: 2016-03-20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ゼニゴケ X 染色体に存在する REPRESSOR OF SILENCING 1 遺伝子ホモログ MpROS1X の解析 (2016)
  • Author(s): 十川太輔, 原田大士朗, 塚本成幸, 石崎公庸, 丹羽優喜, 荒木 崇, 山口勝司, 重信秀治, 河内孝之, 大和勝幸
  • Organizer: 第57回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 盛岡市・岩手大学
  • Year and Date: 2016-03-20
• [Presentation] 組織特異的に概日時計機能を阻害した系統における表現型解析 (2015)
  • Author(s): 清水華子, 片山可奈, 古藤知子, 鳥井孝太郎, 荒木 崇, 遠藤 求
  • Organizer: 第22回 日本時間生物学会学術大会
  • Place of Presentation: 東京都文京区 東京大学
  • Year and Date: 2015-11-21
• [Presentation] ゼニゴケ初期胚発生を制御する因子の探索 (2015)
  • Author(s): 丹羽優喜, 酒井友希, 石田喬志, 西浜竜一, 石崎公庸, 大和勝幸, 澤進一郎, 河内孝之, 荒木 崇
  • Organizer: 日本植物学会第79回大会
  • Place of Presentation: 新潟市・朱鷺メッセ
  • Year and Date: 2015-09-08
• [Presentation] NAKR1による花成制御機構の解析 (2015)
  • Author(s): 根岸克弥, 丹羽優喜, 遠藤 求, 荒木 崇
  • Organizer: 日本植物学会第79回大会
  • Place of Presentation: 新潟市・朱鷺メッセ
  • Year and Date: 2015-09-08
• [Presentation] ゼニゴケ精子形成時におけるセントリンの動態 (2015)
  • Author(s): 野村香織, 肥後あすか, 荒木 崇, 嶋村正樹
  • Organizer: 日本植物学会第79回大会
  • Place of Presentation: 新潟市・朱鷺メッセ
  • Year and Date: 2015-09-08
• [Presentation] Toward understanding the molecular mechanism of spermatogenesis in plants using a liverwort Marchantia polymorpha as a model (2015)
  • Author(s): Higo, A., Ishizaki, K., Yamato, K. T., Kohchi, T., and Araki, T.
  • Organizer: 日本植物学会第79回大会
  • Place of Presentation: 新潟市・朱鷺メッセ
  • Year and Date: 2015-09-07
  • Invited
• [Book] 『テイツ・ザイガー 植物生理学第６版』（L.Taiz & E. Zeiger 著, 島崎研一郎・西谷和彦 監訳） (2016)
  • Author(s): 荒木 崇（第２０章 分担翻訳）
  • Total Pages: 未定
  • Publisher: 講談社サイエンティフィク
• [Book] 『老化生物学 老いと寿命のメカニズム』（R. B. McDonald 著, 近藤祥司 監訳） (2015)
  • Author(s): 荒木 崇（第６章 分担翻訳）
  • Total Pages: 408
  • Publisher: メディカル・サイエンス・インターナショナル
• [Remarks] 植物発生ロジックの多元的開拓 HP
  • URL: http://logics.plantdev.biol.s.u-tokyo.ac.jp
• [Remarks] 京都大学生命科学研究科分子代謝制御学分野 HP
  • URL: http://www.lif.kyoto-u.ac.jp/labs/plantdevbio/index.html