2021 Fiscal Year Research-status Report
交雑受精卵の作出およびゲノム動態制御によるC3-C4光合成細胞質置換
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20K21317
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan University |
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Principal Investigator |
岡本 龍史 東京都立大学, 理学研究科, 教授 (50285095)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石井 孝佳 鳥取大学, 乾燥地研究センター, 講師 (80823880)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2023-03-31
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| Keywords | 交雑受精卵 / 細胞質置換 / C4型光合成 / C3型光合成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
交雑細胞内では異なる二つの種に由来する核ゲノムと細胞内小器官が一つの細胞内に共存することになり、通常このような状態を維持したままその細胞が増殖することはなく、ゲノム（染色体）や細胞内小器官の脱落が生じる。これにより細胞の恒常性が失われ、異種交雑細胞由来の個体の創出には至らない場合が大半であるが、このゲノムや細胞内小器官の脱落機構を制御することができれば、目的に沿ったゲノムと細胞内小器官のみを交雑細胞内に残存させることが可能となる。本研究では、C4型光合成を行うトウモロコシとC3型光合成を行うコムギまたはイネの配偶子を任意の組み合わせでin vitro受精させることで、様々な組み合わせの交雑受精卵を作出し、それら交雑受精卵の発生過程で生じるゲノムや細胞内小器官の脱落機構を解明することを第一の目的とする。さらにはその脱落機構を制御することで、トウモロコシの細胞質・細胞内小器官とコムギの核からなるコムギ核C4光合成細胞質置換植物や、イネ核C4光合成細胞質置換植物の創出に向けて研究を遂行する。
今年度は、昨年度作出したコムギ－イネ交雑植物のゲノム解析を進めるとともに、それらの形質評価を進めた。その結果、このコムギ－イネ交雑植物はコムギの核ゲノムおよびオルガネラゲノムに加えて、イネミトコンドリアゲノムの約半分とイネ核ゲノム断片を保持していることが示された。さらには、この交雑植物はほぼコムギの形態を示すが、作出したコムギ－イネ交雑植物の系統の中に、コムギと比べて高温耐性や耐湿性を保持すると推定される系統が見出された。
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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
イネ卵細胞とコムギ精細胞を融合させて作出したイネ－コムギ交雑受精卵（RW受精卵）は分裂・初期発生を進めたが、球状様胚のステージで発生が停止した。そのRW初期胚細胞中におけるイネおよびコムギゲノムの存在様態をFISHおよびGISH解析により調べたところ、交雑胚細胞中ではイネ染色体のほとんどが脱落していた。一方、コムギの染色体は核内に安定して存在していたことから、RW初期胚細胞は核ゲノムとしてコムギゲノムを、細胞質ゲノムとしてイネゲノムを保持することに起因する核－細胞質相互作用の異種間不全を示したと推定された。このことから、RW受精卵にさらにコムギ卵細胞を融合させてコムギの細胞質をRW受精卵に付与することにより発生不全を回避できると考え、RW-R受精卵を作出して発生させたところ、植物体にまで発生・再分化した。この再分化個体は基本的にコムギの形態を示したが、由来する受精卵により矮性形質など多様な草型形質が確認されたことから、再生植物体はイネ染色体・ゲノムの一部を保持している可能性が考えられた。再生した植物体のゲノムシークエンス解析を進めたところ、このコムギ－イネ交雑植物は、コムギの核ゲノムおよびオルガネラゲノムに加えて、イネミトコンドリアゲノムの約半分とイネ核ゲノム断片を保持していることが示された。
一方、雌雄を逆にして作出したコムギ－イネ受精卵（WR受精卵）では1細胞ステージで発生が停止したことから、受精卵の活性化が十分に進行していないことが推定された。2倍体イネ精細胞を4倍体イネから単離し、コムギ卵細胞と受精させて2WR受精卵を作出したところ、それらは植物体にまで発生・再分化した。この再分化個体もほぼコムギ様の形態を示し、半数体コムギとほぼ同程度の核内ゲノム量を保持していた。さらに、ゲノムシークエンス解析を進めたところ、イネ核ゲノム断片のコムギゲノムへの挿入が示唆された。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度の研究により、電気融合させるイネ配偶子とコムギ配偶子の組み合わせにより、コムギ-イネ交雑受精卵の発生不全を克服することができることが示された。さらには、今年度の解析によりこのコムギ-イネ交雑受精卵の初期発生過程でイネゲノムの脱落が生じることが示され、さらには、コムギ精細胞、コムギ卵細胞、およびイネ卵細胞を融合させた交雑受精卵から発生・再分化させたコムギ-イネ交雑植物は、コムギの核ゲノムおよびオルガネラゲノムに加えて、イネミトコンドリアゲノムの約半分とイネ核ゲノム断片を保持していることが示された。さらには、交雑植物はほぼコムギの形態を示すが、コムギと比べて高温耐性や耐湿性を保持すると推定されるコムギ－イネ交雑植物系統も見出された。
次年度は、それらコムギ-イネ交雑植物体の耐乾性、耐湿性などについての形質評価をさらに進めることで、挿入イネゲノム断片と形質発現の関係性についての解析も進める。加えて、次年度からはC4植物であるトウモロコシの配偶子を用いた解析をスタートさせる。具体的には、多様なトウモロコシ-イネ異質倍数性受精卵およびトウモロコシ-コムギ異質倍数性受精卵を作出し、それらの発生プロファイルを解析することで、発生不全を示す異種配偶子の組み合わせおよびその発生不全を克服する配偶子の組み合わせを決定する。その後、発生不全を示す交雑胚および発生する交雑胚のトランスリプトーム解析を進めることで、ゲノム脱落機構への知見を得る。さらに、得られた交雑植物体のゲノムシークエンス解析を行うことで当該植物がトウモロコシC4ゲノムを保持しているのか、あるいは脱落してしまっているのかを明らかにする。
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| Causes of Carryover |
研究の進捗状況により2021年度に購入予定であった試薬などの消耗品購入を2022年度に変更した。
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