花粉識別～花粉管伸長・誘導に至る一連の植物受粉システムの分子メカニズム解明

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25292005
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Research Institution: Mie University
• Principal Investigator: 諏訪部 圭太 三重大学, 生物資源学研究科, 准教授 (50451612)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 渡辺 正夫 東北大学, 生命科学研究科, 教授 (90240522)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: シロイヌナズナ / 植物生殖 / 花粉 / 柱頭 / 突然変異体 / 細胞間情報認識 / 水輸送 / タイムラプス

Research Abstract

植物が次世代を生み出す最初のステップである受粉は、花粉を識別する花粉認識機構や花粉への養水分機構、花粉発芽・花粉管誘導機構など、機能の異なる多様なシステムにより制御されている。本研究は、この植物生殖における初期の重要ステップである受粉を分子レベルで解明することを目的とする。まず最初に、シロイヌナズナ柱頭上における受粉の経時的動態変化を観察するための技術基盤を構築した。高倍率実体顕微鏡下で「人工受粉の容易さ」・「観察可能花粉粒数の多さ」・「撮影中の焦点維持」を兼ね備えるタイムラプス観察法（1分間隔・90分間）を確立し、通常のシロイヌナズナ花粉は受粉後数分から30分程度で認識および吸水を完了し、1時間以内に花粉管発芽・伸長に至ることをライブイメージングにより再確認した。次に、Laser microdissection（LM）と次世代シーケンサー（NGS）の併用による乳頭細胞特異的LM-NGSトランスクリプトームについて、バイオインフォマティックス解析により絞り込んだ受粉の鍵ステップ「花粉と雌しべ間の認識・情報伝達」・「花粉への水分供給」・「花粉管の発芽・誘導」の各ステップに関する候補遺伝子を多角的に精査し、そのうちの「花粉と雌しべ間の認識・情報伝達」・「花粉管の発芽・誘導」への関与が推定されるリガンド因子と「花粉への水分供給」への関与が推定される因子についてT-DNA系統86種を育成・栽培し、上記ライブイメージングにより受粉動態の形態観察を行った。その結果、リガンド因子については1系統、水分供給因子については2系統の表現型への明確な影響を確認し、これらをそれぞれの候補因子として絞り込んだ。また、シロイヌナズナ花におけるwhole mount in situハイブリダイゼーション技術の条件検討を行い、最適な実験法を確立した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

シロイヌナズナにおける受粉の経時的動態変化を観察するためのライブイメージング技術を確立した。また、受粉への関与が予測される各種因子のT-DNAノックアウト系統を育成し、本技術により「花粉と雌しべ間の認識・情報伝達」・「花粉管の発芽・誘導」と「花粉への水分供給」へ影響を及ぼす候補因子をそれぞれ1種と2種に絞り込んだ。シロイヌナズナ花におけるwhole mount in situハイブリダイゼーション法を最適化した。

Strategy for Future Research Activity

平成25年度に絞り込んだ3種のT-DNA系統について、各種顕微鏡を用いてより詳細な形態観察を行い、遺伝子ノックアウトの受粉への影響を精査する。また、いくつかのT-DNA系統については、whole mount in situハイブリダイゼーションにより発現部位・時期を詳細に調べるとともに、各候補因子の機能解析を行う。バイオインフォマティックス解析を継続し、選抜候補因子の精査を継続する。「花粉と雌しべ間の認識・情報伝達」に関連するT-DNA系統の育成と受粉への影響を観察する。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

シロイヌナズナ花におけるwhole mount in situハイブリダイゼーション法について、Col-0標準系統を用いた最適化については平成25年度の計上予測をはるかに下回る額で効率的に達成することができた。しかし、解析対象とする各種T-DNAノックアウト系統について、T-DNAのホモ化のための育成に時間を要し、whole mount in situハイブリダイゼーション法での解析は次年度に繰り越したため。
平成25年度に最適化したwhole mount in situハイブリダイゼーション法により、平成26年度計上分と合わせて各T-DNA系統の詳細な遺伝子発現解析を行い、当該因子の発現部位および発現時期・パターンに関する特性を解明する。

Research Products

• [Journal Article] Physiological and genetic analysis of CO2-induced breakdown of (2014)
  • Author(s): Lao, X., Suwabe, K., Niikura, S., Kakita, M., Iwano, M., Takayama, S.
  • Journal Title: Journal of Experimental Botany Volume: 65 Pages: 939-951
  • DOI: 10.1093/jxb/ert438
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Time-lapse imaging of self- and cross-pollinations in Brassica rapa. (2013)
  • Author(s): Hiroi, K., Sone, M., Sakazono, S., Osaka, M., Masuko-Suzuki, H., Matsuda, T., Suzuki, G., Suwabe, K., and Watanabe, M.
  • Journal Title: Annals of Botany Volume: 112 Pages: 115-122
  • DOI: 10.1093/aob/mct102
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cell type-specific transcriptome of Brassicaceae stigmatic papilla cells from a combination of laser microdissection and RNA sequencing. (2013)
  • Author(s): Osaka, M., Matsuda, T., Sakazono, S., Masuko-Suzuki, H., Maeda, S., Sewaki, M., Sone, M., Takahashi, H., Nakazono, M., Iwano, M., Takayama, S., Shimizu, K.K., Yano, K., Lim, Y.P., Suzuki, G., Suwabe, K., Watanabe, M.
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 54 Pages: 1894-1906
  • DOI: 10.1093/pcp/pct133
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Demonstration in vivo of the role of Arabidopsis PLIM2 actin-binding proteins during pollination. (2013)
  • Author(s): Sudo, K., Park, J.I., Sakazono, S., Masuko-Suzuki, H., Osaka, M., Kawagishi, M., Fujita, K., Maruoka, M., Nanjo, H., Suzuki, G., Suwabe, K., Watanabe, M.
  • Journal Title: Genes & Genetic Systems Volume: 88 Pages: 279-287
  • DOI: 10.1266/ggs.88.279
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 大規模オミックス情報を活用した網羅的な遺伝子発現ネットワーク構築と種間比較解析 (2014)
  • Author(s): 小林 正明, 高野 知之, 鈴木 貴之, 佐々木 陽平, 寺島 伸, 松村 駿斗, 森本 恭子, 菅野 真麻, 鐘ヶ江 弘美, 横山 幸治, 吉田 有希, 千葉 洋,多田 欣史, 清水 顕史, 安益 公一郎, 松岡 信, 渡辺 正夫, 諏訪部 圭太, 矢野 健太郎
  • Organizer: 第125回日本育種学会講演会
  • Place of Presentation: 東北大学
  • Year and Date: 20140321-20140322
• [Presentation] Brachypodium distachyonにおいてmiR164bが雄性生殖器官の発達に及ぼす影響 (2014)
  • Author(s): 大嶋 涼達，前田 隼輔，坂園 聡美，増子 潤美，藤岡 智明，鈴木 剛，諏訪部 圭太，渡辺 正夫
  • Organizer: 第125回日本育種学会講演会
  • Place of Presentation: 東北大学
  • Year and Date: 20140321-20140322
• [Presentation] Cell type-specific transcriptome of Cruciferous stigmatic papilla cells from a combination of laser microdissection and RNA sequencing. (2014)
  • Author(s): Osaka, M., Matsuda, T., Sakazono, S., Masuko-Suzuki, H., Maeda, S., Sewaki, M., Sone, M., Takahashi, H., Nakazono, M., Iwano, M., Takayama, S., Shimizu, K. K., Yano, K., Lim, Y.-P., Suzuki, G., Suwabe, K., Watanabe, M.
  • Organizer: Plant and Animal Genome XXII
  • Place of Presentation: San Diego, CA, USA
  • Year and Date: 20140111-20140114
  • Invited
• [Presentation] Arabidopsis属植物における受粉前後の発現遺伝子の比較解析 (2013)
  • Author(s): 松田智貴, 大坂正明, 瀬脇みさと, 坂園聡美, 長坂香里, 曽根美佳子, 増子(鈴木)潤美, 岩野恵, 高山誠司, 矢野健太郎, 鈴木剛, 渡辺正夫, 諏訪部圭太
  • Organizer: 第124回日本育種学会講演会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学
  • Year and Date: 20131012-20131013
• [Presentation] モデル植物のオミクス情報を活用した遺伝子発現ネットワークの大規模な種間比較解析 (2013)
  • Author(s): 小林正明, 高野知之, 菊江佳世子, 鈴木貴之, 佐々木陽平, 寺島伸, 松村駿斗, 吉岡幸江, 森本恭子, 菅野真麻, 横山幸治, 吉田有希, 千葉洋, 多田欣史, 清水顕史, 安益公一郎, 松岡信, 渡辺正夫, 諏訪部圭太, 矢野健太郎
  • Organizer: 第124回日本育種学会講演会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学
  • Year and Date: 20131012-20131013
• [Presentation] アブラナ科植物における自家および他家交配時の花粉動態解析 (2013)
  • Author(s): 曽根美佳子, 広井健一郎, 坂園聡美, 大坂正明, 鈴木(増子)潤美, 松田智貴, 鈴木剛, 諏訪部圭太, 渡辺正夫
  • Organizer: 第124回日本育種学会講演会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学
  • Year and Date: 20131012-20131013
• [Presentation] The Arabidopsis stigmatic cell transcriptome by LM-NGS. (2013)
  • Author(s): Matsuda, T., Osaka, M., Sewaki, M., Sakasono, S., Suzuki, G., Watanabe, M., Suwabe, K.
  • Organizer: Plant Biology 2013
  • Place of Presentation: Providence, RI, USA
  • Year and Date: 20130720-20130724
• [Presentation] Characterization of pollen behavior on self- and cross-pollination in Brassica rapa. (2013)
  • Author(s): Sone, M., Hiroi, K., Sakazono, S., Osaka, M., Masuko-Suzuki, H., Matsuda, T., Suzuki, G., Suwabe, K., Watanabe, M.
  • Organizer: Plant Biology 2013
  • Place of Presentation: Providence, RI, USA
  • Year and Date: 20130720-20130724
• [Presentation] Comprehensive analysis of the Arabidopsis stigmatic papilla cell transcriptome. (2013)
  • Author(s): Matsuda, T., Osaka, M., Sakasono, S., Takahashi, H., Nakazono, M., Iwano, M., Takayama, S., Suzuki, G., Watanabe, M., Suwabe, K.
  • Organizer: 24th International Conference on Arabidopsis Research (Arabidopsis 2013)
  • Place of Presentation: Sydney, Australia
  • Year and Date: 20130624-20130628