2017 Fiscal Year Annual Research Report
Sex differentiation in land plant: mechanism of genetic robustness and plasticity
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17H07424
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
河内 孝之 京都大学, 生命科学研究科, 教授 (40202056)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中島 敬二 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (80273853)
大和 勝幸 近畿大学, 生物理工学部, 教授 (50293915)
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| Project Period (FY) |
2017-10-30 – 2022-03-31
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| Keywords | 植物発生生物学 / 配偶体世代 / 性分化 / 有性生殖 / 長鎖非翻訳RNA / Marchantia polymorpha |
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| Outline of Annual Research Achievements |
陸上植物は多細胞の配偶体世代nと胞子体世代2nを繰り返すという特徴がある（世代交代）。これまでに被子植物を材料として有性生殖の誘導や雌雄性分化の仕組みが調べられてきたが、これらは主に胞子体世代の器官分化を扱った研究であり、配偶体世代の有性生殖誘導の制御機構の解析は材料的な制約のために遅れていた。そこで、陸上植物進化の基部に位置する苔類のモデルであるゼニゴケを用いて、環境依存的な生殖細胞系列決定、可塑的な性分化、遺伝的頑健性を与える性決定機構に関する研究を進めた。
ゼニゴケは実験室環境では遠赤色光補光により、有性生殖を誘導する。遠赤色光を必要としない機能獲得型変異体より、bHLH転写因子MpBONOBOを同定した。この因子が生殖細胞系列を決定するのに必要十分な因子であることを明らかにした。また、シロイヌナズナの相同遺伝子は、花粉における雄原細胞分化に必須な因子であることもわかった。つまり、陸上植物に共通した生殖細胞決定の機構を明らかにし、成果を論文として公表した。
生殖細胞系列決定の下流には雌雄分化がある。雌性分化を制御する転写因子に注目し、逆遺伝学的に遺伝子の機能解析を進めた。雌特異的に発現するFGMYB遺伝子を破壊すると、遺伝的な雌株が雄器托と造精器を分化した。この遺伝子座には、アンチセンス長鎖非翻訳RNAであるSUFがコードされ、雄特異的に発現していた。この遺伝子の破壊雄株は、雄株であるにも関わらず、FGMYBが発現し雌器托と造卵器を分化した。本年度はFGMYBとSUFからなる性分化制御モジュールの機能解析のため、遺伝子のプロモーターや転写物の蓄積に関して実験を進めた。
ゼニゴケは性染色体により遺伝的な性が決定する。ゲノム解析により明らかにされた性染色体上の遺伝子について、遺伝子の構造および発現特異性に関する解析を進め、ゲノム編集株の作出などの実験に着手した。
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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
初年度は10月末に採択が通知されたため研究期間が短かったが、研究代表者の研究内容は基盤研究Aを辞退し、本課題に引き継ぐことで研究課題間での連携が果たせた。基盤研究Aを分担していなかった研究者には研究の着手に遅れが生じた。特に形質転換植物を作成して解析する研究は解析するラインの確定に時間を要したため年度内に終了しなかった。このため、研究費の繰り越しを行ったが、その後は基本的に順調に研究が進行している。
生殖細胞系列を決定する転写BONOBOに関する論文を公表することができた。この遺伝子は、配偶体世代の生殖細胞決定に関して陸上植物に保存された機能を有していたことから、遺伝子同定のインパクトは研究開始当初の予想を上回るものであった。ゼニゴケを用いた研究が被子植物研究に対してもブレークスルーとなることを示すことができた。
ゼニゴケは代表者の研究室を中心としてモデル生物としての研究基盤が急速に整備されている。CRISPR-Cas9によるゲノム編集も極めて効率よく行うことができ、更にはgRNAで挟まれた領域の大規模欠失変異体の取得も容易となった。このため、従来では解析が困難であると予想されるようなアンチセンス長鎖非翻訳RNAであるSUFの機能解析もゲノム上で狙った位置で変異を導入することができるようになり、機能に必要な領域を予想よりもはるかに高精度に同定できた。論文化に必要なデータも順調に得ており、2018年度の論文発表が見込まれる。
また、性染色体上の性決定因子の同定に向けた遺伝子破壊も順調にコンストラクトの作成と破壊の作成ができた。2018年度には表現型にもとづく性決定遺伝子の同定が見込まれる。
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| Strategy for Future Research Activity |
陸上植物進化の基部に位置する苔類のモデルであるゼニゴケを用いて、環境依存的な生殖細胞系列決定、可塑的な性分化、遺伝的頑健性を与える性決定の機構に関する研究を継続する。
環境依存的な生殖細胞系列決定に関しては、BONOBOの環境依存的な発現機構と転写制御標的の研究を推進する。発現制御に関しては、プロモーター領域に変異を導入して発現に対する影響を観察する。また、発現部位の重要性に関しては、組織特異的プロモーターを利用して機能的な観点から解析する。BONOBO転写制御の標的に関しては、これまでのFGMYBの発現制御機構の解析に加え、標的候補遺伝子として同定されたメチル基転移酵素遺伝子の破壊株が関連する表現型を示したため、有性生殖制御に関する未知の低分子化合物の関与の可能性も調査する。
FGMYB-SUFの制御に関しては、長鎖非翻訳RNAであるSUFの機能発現をクロマチン動態制御の観点から解析する。FGMYBの制御標的に関しては、分担者を中心に候補遺伝子の絞り込みと遺伝子破壊による機能的解析を進める。
代表者と分担者が連携し、雌の性染色体（U染色体）上にある遺伝子の破壊を継続する。遺伝的雌株を雄に転換する変異体を同定し、その原因遺伝子を解析する。変異体が得られた場合は、SUF遺伝子に関する制御機能について調べる。
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[Presentation] 転写因子BONOBOは陸上植物の生殖系列細胞の分化に必要である2018
Author(s)
山岡尚平, 西浜 竜一, 吉竹良洋, 石田咲子, 井上佳祐, 齊藤美咲, 岡橋啓太郎, 包昊南, 西田 浩之, 山口勝司, 重信秀治, 石崎公庸, 大和勝幸, 河内孝之
Organizer
第59回日本植物生理学会年会
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[Presentation] BONOBOs Are Evolutionarily Conserved Transcription Factors for Germ Cell Fate Determination in Land Plants2017
Author(s)
Shohei Yamaoka, Ryuichi Nishihama, Yoshihiro Yoshitake, Sakiko Ishida, Keisuke Inoue, Misaki Saito, Keitaro Okahashi, Haonan Bao, Hiroyuki Nishida, Katsushi Yamaguchi, Shuji Shigenobu, Kimitsune Ishizaki, Katsuyuki T. Yamato, Takayuki Kohchi
Organizer
The 65th NIBB Conference Renaissance of Marchantia polymorpha
Int'l Joint Research
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