Creation of male sterile cytoplasm by plant mitochondrial genome editing

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K19202
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 有村 慎一 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 准教授 (00396938)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2021-03-31
• Keywords: 植物ミトコンドリア

Outline of Annual Research Achievements

私たちが開発した世界初の植物のミトコンドリアゲノム標的遺伝子破壊技術，mitoTALEN法を用いて，ナタネとシロイヌナズナを用いて植物ミトコンドリアゲノムの撹乱と新規雄性不稔個体の創出を試みた．ナタネについては先行研究で用いた標的配列破壊mitoTALEN発現ベクターを用いて既に複数の形質転換植物体を得ており，そのミトコンドリアゲノム配列の変化をPCRや次世代シークエンスを用いて解析した．その結果，ミトコンドリアゲノムは標的配列部分の欠失を中心に，ゲノム構造の大きな変化がみられた．これによって，新たなキメラ遺伝子創出を期待している．シロイヌナズナについては，mitoTALEN導入によるミトコンドリアゲノム改変は初めてであり，その開発に挑戦した．mitoTALENの設計標的配列によっては，その破壊による致死性が考えられるため，標的遺伝子を二種類，標的部位を計4種類設計し，検討した．また，mitoTALENの発現の場所や量が影響する可能性を考え，プロモーター配列を三種類，mitoTALENの種類（二分子型と一分子型）の組合せ，総24種類のコンストラクトを作製し，これを順次シロイヌナズナの核ゲノムに形質転換した．その結果，2つの遺伝子のうち，1つについては欠失型の配列を採ることに成功したため，まずはモデル植物シロイヌナズナでも初のミトコンドリアゲノム編集/標的遺伝子破壊を行うことに成功することができた．そのほか，活性の高いプロモーター種類の選抜とmitoTALENの二分子型がよいことなどが明らかとなった．シロイヌナズナでの高効率ミトコンドリアゲノム編集システムを用いて、200系統程度の新規ゲノム編集系統を作成し、これの表現型スクリーニングを続けている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

途中、植物が病害に侵され進行がストップするという事故があったが、それ以外の時期に当初予定を上回るスピードで研究が進展（予期せぬ興味深い成果、高効率なゲノム編集技術の開発）で行えたため、トータルでみて順調な進展であると考える。

Strategy for Future Research Activity

先述した植物病害による生育進展の遅れから、シロイヌナズナでの高効率ミトコンドリアゲノム編集システムを用いて、200系統程度の新規ゲノム編集系統を作成し、これの表現型スクリーニングを続けており、繰越年度内の選抜と解析の改良を見込んでいる。

Causes of Carryover

植物育成室ないで原因不明の植物病害が蔓延したため、一時すべての植物生育をストップさせ、清掃、消毒作業などを行った。これにより半年程度の遅れが生じたため、当初期間を延長して生育・解析を行っている。

Research Products

• [Journal Article] Curing cytoplasmic male sterility via TALEN- mediated mitochondrial genome editing (2019)
  • Author(s): Tomohiko Kazama 1*, Miki Okuno2, Yuta Watari3, Shungo Yanase3, Chie Koizuka4, Yu Tsuruta3, Hajime Sugaya3, Atsushi Toyoda 5, Takehiko Itoh2, Nobuhiro Tsutsumi3, Kinya Toriyama1, Nobuya Koizuka 4* and Shin-ichi Arimura 3,6*
  • Journal Title: Nature Plants Volume: 5 Pages: 722-730
  • DOI: doi.org/10.1038/s41477-019-0459-z
  • Peer Reviewed