Mechanism to drive the evolution of non self-recognizing loci controlling plant reproduction

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K06178
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 久保 健一 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 特任助教 (60403359)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 自他識別 / 協調的非自己認識 / S-RNase型自家不和合性 / 分子進化 / 植物ゲノム生物学

Outline of Annual Research Achievements

ナス科植物ペチュニアの自家不和合性は、自他識別の特異性は1つの雌ずい因子S-RNaseと、多数の花粉因子SLFをコードするS-遺伝子座のハプロタイプによって決定されている：S-RNaseは毒性タンパク質として自己花粉管の伸長を阻害し、一方SLFは非自己S-RNaseを選択的に認識・解毒するタンパク質として他殖を保証している。本研究は、非自己選択的な解毒に都合の良い花粉因子のレパートリーを進化させてきた過程にを明らかにすることを目的に、複数のハプロタイプのS-遺伝子座配列を決定、比較検討することを目指した。
5つのS-ハプロタイプについてホモの個体のゲノムDNAについて、PacBio Sequel-IIを用いたロングリードシークエンスを行った。それぞれについて、総塩基数 5 Gb、総リード数 40万、平均リード長13 kbのシークエンス情報を得た。これはペチュニアゲノムの約4倍程度にすぎないため、染色体全体をつなぐことは出来なかったが、S-RNaseと20個前後あるSLFsのそれぞれの周辺100-800 kbを含む精度の高いコンティグを得ることができた。
SLFsの中でも特にS-ハプロタイプ間で広く共有されているSLF1遺伝子に着目し、そのゲノム周辺領域を比較した。配列が100%一致するSLF1対立遺伝子間では、周辺領域が280 kb以上にわたって保存されていることを明らかにした。このことは、異なるハプロタイプのS遺伝子座間で、大規模なゲノム断片の組換えや転座が起きていることを発見した。S遺伝子座が非自己S-RNaseの解毒に都合の良いSLFを獲得するメカニズムには、RNA逆転写を介したレトロ転移や、短いゲノム断片の組換えによるジーンコンバージョンではなく、広い領域を含むゲノム断片間の組換えが関与していることを示す結果が得られた。