なぜフタバガキの種子の羽は無くなったのか：機能喪失型形質の獲得機構と時期の解明

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14J11547
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 小林 正樹 独立行政法人産業技術総合研究所, ゲノム情報研究センター, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Keywords: フタバガキ / 国際研究者交流 / マレーシア

Outline of Annual Research Achievements

東南アジア熱帯雨林に生息するフタバガキ科植物は、萼の伸長によりできる羽状器官を果実に持ち、それがプロペラのような役割を果たすことで種の風散布が行われることが知られている。本研究では、この羽状器官がどのように形成されるのかということを明らかにするために、以下のような二つの研究を行った。
(i)、まず、萼がどのように伸長し羽状器官が形成されるのか調べるために、経時的な発生過程の観察をマレーシアのForest Research Institute Malaysia (FRIM)に生えるフタバガキ科植物を用いて行った。マーカーで点をランダムに記した萼を毎週写真撮影し、その写真データから萼上の成長部位を解析した結果、萼全体が一様に成長するのではなく、成長量は萼の部位ごとに異なることが示唆された。
(ii)、次に、どのような遺伝子の働きにより羽状器官が形成されるのかを明らかにするために、伸長する羽状器官における発現解析をRNA-seqにより行った。FRIMに生える12種のフタバガキ科植物から計16のサンプルを採集し解析を行った結果、それぞれの種で10,000以上の発現している遺伝子を同定することができた。そこで、これらの同定された遺伝子を用いて伸長する羽状器官で発現が上昇する遺伝子を調べたところ、細胞分裂に関わる遺伝子が有意に多く含まれていることがわかった。このことから、羽状器官の伸長には細胞分裂が関わっている可能性が示唆された。今後は、さらにこの発現データを解析することにより、細胞分裂以外の他の機能を持った遺伝子群に発現変化が起こっている可能性についても調べていくことを検討している。

Current Status of Research Progress

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

Reason

東南アジア熱帯雨林に生息するフタバガキ科植物の多くは、数年に一度、不定期な間隔で開花する一斉開花と呼ばれる特殊な開花様式を示すことが知られている。この特殊な開花様式のため、フタバガキ科植物がいつ開花するのかを予測することは難しく、多くのフタバガキ科植物から果実のサンプルを得ることは難しいと考えられた。そこで、本研究課題の当初の予定としては毎年開花するような少数のフタバガキ科植物のみを用いて果実の羽状器官の形成について調べることを計画した。しかしながら、マレーシア滞在中に大規模な一斉開花に遭遇し、一斉開花時にしか得られない貴重な観察データ、およびサンプルを得ることができた。特に野外での形態観察には、食害などにより経時的な観察を継続することが不可能となるサンプルが多く生じることから、観察数を確保することが難しいことを想定していた。しかしながら、一斉開花が生じたことにより、予定以上の多くの観察数を確保することができ、これにより複数種について羽状器官の経時的な成長データを比較検討することが可能となった。また複数の種が開花したことにより7属のフタバガキ科の植物を用いて発現解析をすることができた。これは当初予定していた属数よりも多く、これにより複数の属で共通して発現が変化するような羽の形成に重要だと考えられる遺伝子について解析を進めることができるようになった。以上のような理由から、当初の予定よりも研究が進展していると考えている

Strategy for Future Research Activity

羽状器官の経時的成長データからは、萼の伸長が全体に一様ではないことが示された。さらにRNA-seqを用いた発現解析からは、羽状器官の形成時には細胞分裂に関わる遺伝子が多く発現していることがわかった。これらの結果を踏まえ、まずは萼内において細胞分裂に関わる遺伝子の発現を詳細に調べ、発現がが特に高い領域が存在するかどうかを確認する。そしてもしも発現が高い領域が存在するならば、萼のよく成長する領域と一致するかどうかを調べることで、萼の伸長における細胞分裂の役割を明らかにしたいと考えている。
また、羽状器官の形成時に発現変化する遺伝子群は、細胞分裂に関わる遺伝子以外にも存在すると考えられる。そこで、発現データをさらに詳細に調べ、細胞分裂以外の他の機能を持った遺伝子群についても発現変化が起こっている可能性を検討する。
さらに、フタバガキ科植物の中には、羽状器官を派生的に失ったと考えられる種が複数存在することが知られている。そこで今後の課題として、これらの羽喪失種において羽状器官の喪失に関わった候補遺伝子を単離することを目指す。まずは、羽状器官を持つ種で得られた発現データをさらに詳しく調べることで、羽状器官特異的に発現する遺伝子を特定する。羽状器官を失った種では、これらの羽状器官の形成に重要な遺伝子の一部において機能が失われている可能性が考えられる。そこで、これらの遺伝子の配列を羽状器官を失った種で確認し、遺伝子の機能を失うような変異の有無を調べる予定である。

Research Products

• [Journal Article] Nitrogen as a Key Regulator of Flowering in Fagus Crenata: Understanding the Physiological Mechanism of Masting by Gene Expression Analysis (2014)
  • Author(s): Miyazaki, Yuko, Yosuke Maruyama, Yukako Chiba, Masaki J Kobayashi, Benesh Joseph, Kentaro K Shimizu, Keiichi Mochida, Tsutom Hiura, Hirokazu Kon, and Akiko Satake
  • Journal Title: Ecology Letters Volume: 17 Pages: 1299-1309
  • DOI: 10.1111/ele.12338
  • Peer Reviewed