2018 Fiscal Year Annual Research Report
Molecular mechanism and evolution of self-incompatibility in plants
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16H06380
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
高山 誠司 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 教授 (70273836)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
和田 七夕子 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (50379541)
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| Project Period (FY) |
2016-05-31 – 2021-03-31
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| Keywords | 植物 / シグナル伝達 / 蛋白質 / 進化 / 自家不和合性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、自家不和合性の分子機構と進化に関する下記３課題について、以下の研究成果を得た。
１）自己および非自己認識機構の蛋白質構造化学的解明：アブラナ科植物については、昨年度１つのSハプロタイプに由来するSRK-SP11複合体の結晶構造を決定した。本年度は、本構造を基に6つのSハプロタイプに由来するSRKとSP11の立体構造を予測し、動力学シミュレーションによる結合実験を行った結果、いずれも同一Sハプロタイプに由来する両者の組み合わせにおいて最も安定した複合体を形成することが示された。ナス科植物の非自己認識機構については、昨年度酵母での発現に成功したS-RNaseを含む計3つのS-RNaseの結晶構造を決定することに成功した。超可変領域において表面電荷が相互に大きく異なることが示され、非自己特異的認識に関わることが推定された。また、SLFについては、部位特異的置換実験を実施し、非自己特異的認識に関わるアミノ酸残基の一部を特定した。
２）自他認識から受精阻害あるいは受精促進に至るまでの情報伝達系の解明：アブラナ科植物においては、pHセンサーを導入した植物体の解析から、乳頭細胞内pHが自家受粉時に特異的に低下することを確認した。Ca2+チャネル開口機構解明の新たな手掛かりとなることが期待される。ナス科植物においては、免疫組織化学的解析により、S-RNaseが受粉初期の段階において自己花粉管の先端部分に特異的に蓄積していることが確認された。さらに、花粉管のmRNA量が他家受粉時と比較して自家受粉時に有意に低下していることが示された。
３）植物自家不和合性の進化過程の解明：隔離されたアブラナ科の同種集団間に認められた一側性の不和合性について原因遺伝子を解析し、進化の過程で重複したS遺伝子座の雌雄因子が関与することを明らかにした。自家不和合性関連因子が生殖隔離・種分化を誘導する可能性が示唆された。
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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
研究実施計画に掲げた3項目については、いずれも計画通り順調に進展している。１）のアブラナ科植物における自己認識機構の蛋白質構造化学的解析では、当初目標として掲げたSP11-SRK複合体の結晶構造解明に成功すると共に、これを元としたシミュレーション解析によりSP11-SRK間の自己特異的な結合が証明されつつある。ナス科植物の非自己認識機構についても、３つのSハプロタイプに由来するS-RNaseの結晶構造解明に成功すると共に、SLF側からもこれらと相互作用する残基の一部を明らかにすることができた。２）のアブラナ科植物における情報伝達系の解明においては、SRK下流の乳頭細胞内へのCa2+流入に至る経路に細胞内pH変化が関わることが確認され、標的分子を絞り込むための準備が整いつつある。ナス科植物においては、自己花粉管内におけるS-RNaseの蓄積が証明されると共に内生mRNA量の低下が示され、当初提唱した非自己SLFsによるS-RNase分解モデルを支持する証拠が得られてきている。３）の自家不和合性の進化過程の解明においては、種間不和合性との関係性について研究が進展し、重複S遺伝子座を介した一側性の不和合性の存在を明らかにすることができた。一方で、同じアブラナ科植物でも自家不和合性経路を介さない一側性の種間不和合性が存在することも見出してきており、今後の研究進展が期待できる段階にある。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は上記３課題について、以下の研究項目を実施する。
１）自己および非自己認識機構の蛋白質構造化学的解明：アブラナ科植物については、ホモロジーモデリングにより予測したSP11-SRK構造を基に自己（同一Sハプロタイプ）特異的相互作用の検証を継続する。この際、特に予測立体構造の正当性を確認する必要があり、部位特異的変異導入実験等を通じて証明していく。ナス科植物については、目標とするSLFの結晶構造解析に向けて異種細胞発現系での発現検討を継続する。一方で、昨年度明らかにした複数の雌ずい因子の立体構造と花粉因子との相互作用情報をもとに非自己認識モデルの作成を進める。
２）自他認識から受精阻害あるいは受精促進に至るまでの分子機構解明：アブラナ科植物については、雌ずい因子のリン酸化から乳頭細胞内へのCa2+流入に至る情報伝達経路に関わる分子の探索を継続する。ナス科植物については、自家および他家受粉後の花粉管由来RNA量および分解RNA量の網羅的な比較解析を行い、自家受粉時特異的なRNA分解モデルを検証する。
３）植物自家不和合性の進化過程の解明：異形花型自家不和合性や雌雄異株分化に関わる遺伝子の比較解析を継続し、植物が多様な性表現を獲得してきた経緯を解明する。新たに見出した自家不和合性と種間不和合性の関連性についても比較解析を継続する。
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Research Products
(16 results)
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[Presentation] Inter-ecotype pollen-stigma incompatibility is determined by duplicated self-recognition genes in Brassica rapa2018
Author(s)
Takada, T., Murase, K., Shimosato-Asano, H., Sato, T., Nakanishi, H., Mihara, A., He, Y., Suwabe, K., Shimizu, K.K., Lim, Y.P., Takayama, S., Suzuki, G., Watanabe, M.
Organizer
The 25th International Congress on Sexual Plant Reproduction
Int'l Joint Research
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[Presentation] アブラナ科植物における自家不和合性決定因子の複対立遺伝子間優劣性制御機構2018
Author(s)
安田晋輔, 和田七夕子, 柿崎智博, 樽谷芳明, 宇野栄子, 村瀬浩司, 藤井壮太, 日置智也, 下田大貴, 高田美信, 柴博史, 安田剛志, 鈴木剛, 渡辺正夫, 高山誠司
Organizer
日本育種学会第60回ワークショップ
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