2013 Fiscal Year Research-status Report
コレンス交雑と高速４Ｄスクリーニング法による植物の雌雄異株性の解明
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24657046
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
河野 重行 東京大学, 新領域創成科学研究科, 教授 (70161338)
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| Keywords | ヒロハノマンテマ / 雌雄異株 / 雌雄同株 / コレンス交雑 / 重イオンビーム / 性染色体 / 欠失 / SlAP3 |
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| Research Abstract |
植物の雌雄性と性染色体の関わりをコレンス(1928)交雑の解析を通じて明らかにする。雌雄異株×雌雄同株の正逆交雑には方向性があって、雌雄異株(♀)×雌雄同株(♂)のみが種子をつける。これが雌雄異株を専らにする育種家の間ではよく知られている「コレンス交雑」である。
雌雄異株のヒロハノマンテマ(Silene latifolia)に重イオンビームを照射して、多数の染色体部分欠失株と両性花変異体（雌雄同株）を単離して、コレンスの交雑が(1) Y染色体の急激な進化によるものか、(2) X染色体のインプリンティングにあるのかを明らかにしたい。その必須アイテムが「4D高速スクリーニング」と「植物XY性染色体欠失ライブラリー」である。
コレンス交雑の解析に先立ち、ヒロハノマンテマにおける重イオンビーム照射条件を検討しておく必要がある。重イオンビームを種々の照射条件で照射し、「無性花」と「両性花」の出現頻度を調査した。Y染色体上の「雄蕊(♂)促進領域(SPR)」を欠失すれば無性花に、「雌蕊(♀)抑制領域(GSR)」を欠失すれば両性花になる。一連のSTSマーカーを用いてY染色体の欠失部を同定し、新たに単離したSTSマーカーを加えてより詳細な欠失マップを作製した。また、SlAP3Y欠損株を4個体単離し、SlAP3Yの全長およそ30 kb内で設計した5つのプライマーセットすべてにおいて欠失を確認している。そこで、SlAP3Yのみを完全に欠失している個体の花粉を野生型雌(♀)と交配して種子をつくり、その種子にγ線処理してSlAP3Yと対立遺伝子SlAP3Xの両方を欠失した個体を作出している。この過程で雄蕊と雌蕊の発生に異常のある変異体も28株単離することができた。これらを用いて、25年度も雌雄異株×雌雄同株の正逆交雑（コレンス交雑）を行うこととし、マンテマ属4種でコレンス交雑の再現性をチェックするためにこれら4種の栽培を開始している。
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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
本研究課題の必須アイテムは「4D高速スクリーニング」と「植物XY性染色体欠失ライブラリー」である。これは草丈が1メートルにもなる大型の雌雄異株植物（例えばヒロハノマンテマ）を圃場でスクリーニングする際の新手法で、植物のエピゲノム研究にはもとより雌雄異株植物の育種や品種改良にも貢献するだろう。今回はこれらの手法を予備的に実施し変異体を28株単離できた。
コレンス交雑では、雌雄異株(♀)×雌雄同株(♂)は結実し、その種子は発芽して両性花をつける。この交雑ではY染色体が失われるので基本的には雌花(♀)になるが、花粉親となった雌雄同株のゲノムがY染色体を相補して雄蕊(♂)が生じる。この雄蕊(♂)の形態学的特徴を調べることで、X染色体しか持たない交雑で失われるY染色体を相補しているのは何なのかを類推することができる。この交雑の鍵を握るのが雌雄同株のシロバナムシトリナデシコ(Silene viscosa, 2n=24)であるが、これも圃場で順調に抽台し正逆交雑が可能な状態になっている。
シロバナムシトリナデシコの雄蕊はヒロハノマンテマと同様に5本の先熟雄蕊と5本の後熟雄蕊にわかれ、花弁の下に垂れ下がっていた。雌蕊は3本の花柱がまっすぐ伸びる構造をしていた(図1c)。雄蕊は常に雌蕊よりも長く、雌雄離熟が見られた。先熟雄蕊と後熟雄蕊の成熟期間はそれぞれ-6～24開花後時間(HAF)、18～48開花後時間でヒロハノマンテマと同じだったが、雌蕊の成熟期間は42～138開花後時間であり、雄蕊と雌蕊の成熟期間が異なる雌雄異熟も見られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
コレンス交雑を打破するような変異体を重イオンビーム照射で創出するとともにY染色体創出進化のモデル実験を平行して行う。重イオンビーム照射と高速4Dスクリーニングに関してはマシンタイムの制約もあるので24年から実験を開始している。1) 重イオンビーム照射雌雄異株×雌雄同株・雌性両全異株の正逆交雑：高速4Dスクリーニングと圃場でのスクリーニングを終えたS. latifoliaに、S. viscosaを交雑し、S. latifolia (♀)×S. viscosa (♂)以外で結実するものをスクリーニングする。また、高速4Dスクリーニングで単離した本来雌(♀)のＸ染色体部分欠失個体とS. viscosaの交雑を試みる。2) 重イオンビーム照射雌雄異株の欠失部位の詳細マップと核型解析：雌雄異株×雌雄同株の正逆交雑で稔性があった交雑に関して、欠失部位の詳細マッピングを実施する。また、各染色体の対合の有無を減数分裂期の二価染色体を顕微鏡観察し、不対合の異形染色体の有無を調査する。XY染色体のどういった欠失がコレンス交雑を打破するか明らかにする。3) 雌性両全異株の作出と重イオンビーム照射によるＹ染色体創成：研究の性質上ステップバイステップに積み上げるのではなくて、実験を基本的には何サイクルか繰り返すことになる。ただし、初年度は「雌雄異株×両性花の正逆交雑（コレンス交雑）の打破」を中心に、稔性調査と雌性両全異株の作出をめざす。
一部の異種交雑と夏季の栽培に関しては、チェコ科学アカデミーのBoris Vyskot博士のグループに協力要請することができる。また、残り1年間の研究期間中に、高速4Dスクリーニングをさらに実施したい。
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[Journal Article] Use of FM1-43, a membrane-specific fluorescent dye, to estimate plasma membrane integrity in the cryopreservation of green algae.2014
Author(s)
Yamazaki, T., Hirai, C., Ota, S., Kuwano, K., and Kawano, S.
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Journal Title
Cryo Letters
Volume: 35
Pages: 180-187
Peer Reviewed
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[Journal Article] Starch and lipid accumulation in eight strains of six Chlorella species under strong illumination and aeration culture conditions.2014
Author(s)
Takeshita, T., Ota, S., Yamazaki, T., Hirata, A., Zachleder, V., and Kawano, S.
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Journal Title
Bioresour. Technol.
Volume: 158
Pages: 127–134
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Rapid degeneration of noncoding DNA regions surrounding SlAP3X/Y after recombination suppression in a dioecious plant, Silene latifolia.2013
Author(s)
Ishii, K., Nishiyama, R., Shibata, F., Kazama, Y., Abe, T., and Kawano, S.
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Journal Title
G3
Volume: 3
Pages: 2121-2130
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Image-based monitoring system for green algal Haematococcus pluvialis (Chlorophyceae) cells during culture.2013
Author(s)
Ohnuki, S., Nogami, S., Ota, S., Watanabe, K., Kawano, S., Ohya, Y.
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Journal Title
Plant Cell Physiol.
Volume: 54
Pages: 1917-1929
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Phenotypic spectrum of Parachlorella kessleri (Chlorophyta) mutants produced by heavy-ion irradiation.2013
Author(s)
Ota, S., Matsuda, T., Takeshita, T., Yamazaki, T., Kazama, Y., Abe, T., Kawano, S.
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Journal Title
Bioresour. Technol.
Volume: 149
Pages: 432-438
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Relationship between starch and lipid accumulation induced by nutrient depletion and replenishment in the microalga Parachlorella kessleri.2013
Author(s)
Fernandes, B., Teixeira, J., Dragone, G., Vicente, A.A., Kawano, S., Bisova, K., Pribyl, P., Zachleder, V., and Vitova, M.
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Journal Title
Bioresour. Technol.
Volume: 144
Pages: 268-274
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Single-membrane-bounded peroxisome division revealed by isolation of dynamin-based machinery.2013
Author(s)
Imoto, Y., Kuroiwa, H., Yoshida, Y., Ohnuma, M., Fujiwara, T., Yoshida, M., Nishida, K., Yagisawa, F., Hirooka, S., Miyagishima, SY., Misumi, O., Kawano, S., Kuroiwa, T.
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Journal Title
Proc Natl Acad Sci USA.
Volume: 110
Pages: 9583-9588
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Localization and evolution of septins in algae.2013
Author(s)
Yamazaki, T., Owari, S., Ota, S., Sumiya, N., Yamamoto, M., Watanabe, K., Nagumo, T., Miyamura, S. and Kawano, S.
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Journal Title
Plant J.
Volume: 74
Pages: 605-614
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Three-dimensional ultrastructural study of oil and astaxanthin accumulation during encystment in the green alga Haematococcus pluvialis.2013
Author(s)
Wayama, M., Ota, S., Matsuura, M., Nango, N., Hirata, A., and Kawano, S.
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Journal Title
PLoS ONE
Volume: 8
Pages: e53618
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Sequential accumulation of starch and lipid induced by sulfur deficiency in Chlorella and Parachlorella species.2013
Author(s)
Mizuno, Y., Sato, A., Watanabe, K., Hirata, A., Takeshita, T., Ota, S., Sato, N., Zachleder, V., Tsuzuki, M., and Kawano, S.
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Journal Title
Bioresour. Technol.
Volume: 129
Pages: 150-155
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] The Microalga Parachlorella kessleri: A Novel Highly Efficient Lipid Producer.2013
Author(s)
Li, X., Pribyl, P., Binova, K., Kawano, S., Cepak, V., Zachleder, V., Cizkova, M., Branyikova, I., and Vitova, M.
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Journal Title
Biotechnol. Bioeng.
Volume: 110
Pages: 97-107
DOI
Peer Reviewed
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