The lock-and-key interaction in the florigen function

• Project Area: Determining the principles of the birth of new plant species: molecular elucidation of the lock-and-key systems in sexual reproduction
• Project/Area Number: 16H06466
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Yokohama City University
• Principal Investigator: 辻 寛之 横浜市立大学, 木原生物学研究所, 准教授 (40437512)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 坂 智広 横浜市立大学, 木原生物学研究所, 教授 (80343771)
• Project Period (FY): 2016-06-30 – 2021-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥95,940,000 (Direct Cost: ¥73,800,000、Indirect Cost: ¥22,140,000); Fiscal Year 2020: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2019: ¥18,460,000 (Direct Cost: ¥14,200,000、Indirect Cost: ¥4,260,000); Fiscal Year 2018: ¥19,110,000 (Direct Cost: ¥14,700,000、Indirect Cost: ¥4,410,000); Fiscal Year 2017: ¥19,890,000 (Direct Cost: ¥15,300,000、Indirect Cost: ¥4,590,000); Fiscal Year 2016: ¥21,060,000 (Direct Cost: ¥16,200,000、Indirect Cost: ¥4,860,000)
• Keywords: フロリゲン / メリステム / イネ / 花成 / 生殖 / エピゲノミクス / イメージング / フロリゲン活性化複合体 / 鍵と鍵穴 / 新種誕生 / 植物 / 発生・分化 / 育種学

Outline of Annual Research Achievements

フロリゲン(正体はFTタンパク質)は植物の花芽分化を開始させる因子である。すなわち植物の生殖を開始する最初の決断を下すマスタースイッチであり、花の中で行われる生殖過程のすべてはフロリゲンから始まると言える。また、フロリゲンによる花芽形成のタイミングがずれると、適切な相手からの花粉が届かなくなるため生殖の障壁となり、同時に、従来出会わなかった別の種の花粉が受粉する機会が増えて「新種誕生」が促進される。しかし、こうした過程を制御するフロリゲンの分子機能の全体像や、特にフロリゲンが生殖過程の「鍵と鍵穴」として振る舞うプロセスの分子実態は未解明である。本研究の目的は、フロリゲンを起点として生殖過程が開始される過程における「鍵と鍵穴」の分子機構を解明することである。
この目的のために、本研究では、フロリゲンによる花芽分化の「鍵と鍵穴」のイメージング、フロリゲンによるエピゲノム・リプログラミングの実態解明、及び新種誕生を再現した染色体間相互作用の解析を実施する。本年度はフロリゲンが茎頂メリステムの細胞間を移動する過程をライブイメージングで捉える実験系を構築し、その移動速度をはじめて算出することに成功した。また、これまでにフロリゲンの標的遺伝子は茎頂メリステムの最外層から発現を開始するが、このメカニズムがフロリゲン受容体が茎頂メリステムの最外層で発現しているためであることを明らかにした。茎頂メリステムに到達後のフロリゲンがどのように花芽分化を開始させるのか、分子レベルの解析も実施している。本年度はフロリゲン到達前後の茎頂メリステムのエピゲノム解析を生殖細胞との関連に焦点を当てて詳細に行った。その結果、フロリゲンによる成長層転換と生殖細胞におけるエピゲノム・リプログラミングとを接続する変化を見出すことができた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度はフロリゲンの受容体が茎頂メリステムにどのように分布しているのかを明らかにすることができた。この分布パターンが、フロリゲンによる最初の遺伝子発現の活性化を担っていることも明らかにした。またフロリゲンの細胞間輸送を直接可視化する実験系も開発し、これによる組織間の輸送の違いをライブイメージングによって捉えることに成功した。フロリゲンによるエピゲノム・リプログラミングでは、これまで生殖過程でもっとも顕著にリプログラミングが観察される生殖細胞分化過程との比較検討を行った。その結果、生殖細胞におけるエピゲノム・リプログラミングをフロリゲンによるリプログラミングが部分的に先行して遂行していることを明らかにした。これまで生殖細胞におけるエピゲノム・リプログラミングは生殖細胞の分化前後を起点として開始されてきたが、この起源がフロリゲンによる花芽分化のタイミングにまで遡れる可能性をはじめて提示した結果と言える。

Strategy for Future Research Activity

フロリゲンのイメージング：これまでにフロリゲンが茎頂メリステムに到達して標的遺伝子を活性化させる最初期の振る舞いを明らかにしてきた。フロリゲンはその後茎頂メリステム内部で濃度勾配を形成し、この勾配が正常な花序構造の形成に重要であると考えられる。しかしこの濃度勾配を形成するメカニズムは未知である。これまでの発生学的な知見からいくつかの植物ホルモンがこの過程を制御する可能性が考えられる。そこで本年度は植物ホルモンのイメージングを可能にするレポーター系統を確立し、茎頂メリステムにおいて植物ホルモンの情報伝達がフロリゲンの局在とどのように関連するのかを検討する。
フロリゲンのエピジェノミクス：フロリゲンが茎頂メリステムに到達すると、DNAメチル化のゲノムワイドなリプログラミングを引き起こすことが明らかとなった。またこの変化が生殖細胞におけるリプログラミングを部分的に先取りしていることを明らかにした。これまでにゲノムDNAのエピジェネティックな状態を表す修飾の中でDNAメチル化を明らかにしたので、これ以外のエピジェネティックマークの解析を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Zurich(Swizerland)
• [Journal Article] An optimized isolation protocol yields high‐quality RNA from cassava tissues ( Manihot esculenta Crantz) (2019)
  • Author(s): Behnam Babak、Bohorquez‐Chaux Adriana、Castaneda‐Mendez Oscar Fernando、Tsuji Hiroyuki、Ishitani Manabu、Becerra Lopez‐Lavalle Luis Augusto
  • Journal Title: FEBS Open Bio Volume: 9 Pages: 814-825
  • DOI: 10.1002/2211-5463.12561
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of the VIGS System in the Dioecious Plant Silene latifolia (2019)
  • Author(s): Fujita Naoko、Kazama Yusuke、Yamagishi Noriko、Watanabe Kyoko、Ando Saki、Tsuji Hiroyuki、Kawano Shigeyuki、Yoshikawa Nobuyuki、Komatsu Ken
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 20 Pages: 1031-1031
  • DOI: 10.3390/ijms20051031
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] TFL1-Like Proteins in Rice Antagonize Rice FT-Like Protein in Inflorescence Development by Competition for Complex Formation with 14-3-3 and FD (2018)
  • Author(s): Kaneko-Suzuki M, Kurihara-Ishikawa R, Okushita-Terakawa C, Kojima C, Nagano-Fujiwara M, Ohki I, Tsuji H, Shimamoto K, Taoka KI.
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 59 Pages: 458-468
  • DOI: 10.1093/pcp/pcy021
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Molecular function of florigen (2017)
  • Author(s): Hiroyuki Tsuji
  • Journal Title: Breeding Science Volume: 67 Pages: 327-332
  • NAID: 130006164476
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Imaging florigen distribution in vivo. (2017)
  • Author(s): Noriko Saihara, Hiroyuki Tsuji
  • Journal Title: Plant Morphology Volume: 29 Pages: 27-31
  • NAID: 130006647096
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Imaging florigen distribution in vivo (2016)
  • Author(s): Saihara N., Tsuji H.
  • Journal Title: Plant Morphology Volume: 印刷中
  • NAID: 130006647096
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] DNA Methylation of the Transposable Elements Is Reconfigured at the Onset of the Reproductive Phase in the Rice Shoot Apical Meristem (2019)
  • Author(s): Tsuji H
  • Organizer: Plant and Animal Genome XXVII
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] イネ茎頂分裂組織の相転換における DNA メチル化パターンの動態とその制御機構 (2019)
  • Author(s): 肥後あすか，三浦史仁，伊藤隆司，島本功，辻寛之
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会年会
• [Presentation] イネ bZIP 型転写因子によるブラシノステロイド関連遺伝子発現制御の解析 (2019)
  • Author(s): 吉田英樹，島谷善平，鈴木寿法，寺田理枝，上口(田中)美弥子，松岡信，辻寛之
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 花成におけるイネ茎頂メリステムのサイトカイニンシグナル伝達のイメージングと機能解析 (2019)
  • Author(s): 佐藤萌子，北野英己，辻寛之
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会年会
• [Presentation] サボテンのフロリゲン (2019)
  • Author(s): 長谷川菜月，田中啓介，高橋宏和，西山智明，坂本勇貴，Dario Copeti，小林久人，中園幹生，清 水健太郎，松永幸大，辻寛之
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 高感度な発光レポーター NanoLuc の植物細胞での利用 (2019)
  • Author(s): 田岡健一郎，島谷善平，小川真奈，齋藤洋美，池田洋一，赤司裕子，山口公志，寺田理枝，川崎努， 辻寛之
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 野外環境下におけるオオムギの開花関連遺伝子制御ネットワークの変化 (2019)
  • Author(s): 井上小槙，高萩航太郎，上原由紀子，清水みなみ，最相大輔，松浦恭和，金谷麻加，井藤純，辻 寛之，平山隆志，持田恵一
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 圃場オオムギを用いた時系列クロマチン修飾解析 (2019)
  • Author(s): 池田陽子，金谷麻加，井上小槙，最相大輔，井藤純，辻寛之，持田恵一，平山隆志
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 第何葉のフロリゲンが花成を起こすのか? (2019)
  • Author(s): 吉田 綾 , 吉田 明希子 , 辻 寛之
  • Organizer: 日本育種学会第135回講演会
• [Presentation] フロリゲンの超解像イメージング (2019)
  • Author(s): 石井 惇仁 , 辻 寛之
  • Organizer: 日本育種学会第135回講演会
• [Presentation] 花成におけるイネ茎頂メリステムのサイトカイニ ンシグナル伝達のイメージングと機能解析 (2019)
  • Author(s): 佐藤 萌子, 北野 英己, 辻 寛之
  • Organizer: 日本育種学会第135回講演会
• [Presentation] Developmental phenology of shoot apical meristem in rice (2018)
  • Author(s): Tsuji H
  • Organizer: SMBE Satellite Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The DNA methylation dynamics in rice shoot apical meristem (2018)
  • Author(s): Higo A. et al.
  • Organizer: 25th International Conference of Sexual Plant Reproduction
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Florigen gene expression in every leaf throughout rice development. (2018)
  • Author(s): Yoshida A, Yoshida A, Tsuji H.
  • Organizer: 25th International Conference of Sexual Plant Reproduction
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Imaging of cytokinin signaling in the shoot apical meristem of rice. (2018)
  • Author(s): Sato, M., Taira,S., Shiono, K., Tsuji, H.
  • Organizer: 25th International Conference of Sexual Plant Reproduction
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Distribution of FLOWERING LOCUS T protein coordinates downstream gene expression and hormonal response during floral transition in the shoot apical meristem. (2018)
  • Author(s): Fujita A. et al.
  • Organizer: 25th International Conference of Sexual Plant Reproduction
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] lasticity of flowering time in response to environmental cues at the shoot apex in field-grown barley varieties. (2018)
  • Author(s): Ito, J., Saisho, S., Mochida, K., Hirayama, T., Tsuji, H.
  • Organizer: 25th International Conference of Sexual Plant Reproduction
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] RCN, rice TFL1, antagonize Hd3a in inflorescence development by competition for complex formation with 14-3-3 and FD. (2018)
  • Author(s): Taoka, K., et al.
  • Organizer: 25th International Conference of Sexual Plant Reproduction
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Molecular Function of Florigen (2018)
  • Author(s): Tsuji H
  • Organizer: 16th International Symposium on Rice Functional Genomics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Genome wide DNA-DNA interaction map of rice (2018)
  • Author(s): Mayumi A
  • Organizer: 16th International Symposium on Rice Functional Genomics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Imaging of cytokinin signaling in the shoot apical meristem of rice. (2018)
  • Author(s): Sato M
  • Organizer: 16th International Symposium on Rice Functional Genomics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] DNA methylation dynamics in the rice shoot apical meristem (2018)
  • Author(s): Higo A
  • Organizer: GMI seminar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Florigen distribution in the shoot apical meristem during the early phase of reproductive transition (2018)
  • Author(s): Tsuji, H.
  • Organizer: 第59回日本植物生理学会年会シンポジウム「Maintenance of Stem-ness and Cell Fate Determination in Plants and Animals」
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Florigen function and epigenomic regulation during floral transition (2017)
  • Author(s): Tsuji H.
  • Organizer: 第58回 日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学、鹿児島県鹿児島市
  • Year and Date: 2017-03-17
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Florigen-induced epigenomic reprograming in the shoot apical meristem (2017)
  • Author(s): Tsuji H.
  • Organizer: Life Science Switzerland (LS2) Annual Meeting 2017
  • Place of Presentation: University of Zurich, Zurich, Switzerland
  • Year and Date: 2017-02-02
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] フロリゲンの分子機能解明と植物改良への展開 (2017)
  • Author(s): 辻 寛之
  • Organizer: 2017年度生命科学系学会合同年次大会 ConBio2017
  • Invited
• [Presentation] フロリゲンの分子機能解明と植物改良への展開 (2017)
  • Author(s): 辻 寛之
  • Organizer: 植物科学シンポジウム２０１７「植物科学のバイオ農業への展開」
  • Invited
• [Presentation] Molecular function of florin in the shoot apical meristem (2017)
  • Author(s): Tsuji, H.
  • Organizer: Plant and Animal Genome Asia 2017 (PAG Asia 2017)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Florigen-induced transposon silencing in the shoot apical meristem (2017)
  • Author(s): Tsuji, H.
  • Organizer: Cold Spring Harbor Asia Conference on Plant Cell and Developmental Biology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 植物幹細胞のエピゲノム・リプログラミング (2016)
  • Author(s): 辻 寛之
  • Organizer: 第５回生命医薬情報学連合大会 (IIBMP2016)
  • Place of Presentation: 東京国際交流会館プラザ平成（お台場） 東京都 台東区
  • Year and Date: 2016-09-29
  • Invited
• [Presentation] 花咲かじいさんの灰をめざしてー花成ホルモン・フロリゲンの秘密にせまる (2016)
  • Author(s): 辻 寛之
  • Organizer: 日本育種学会 第130回講演会 公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 鳥取大学乾燥地研究センター 鳥取県 鳥取市
  • Year and Date: 2016-09-26
  • Invited
• [Presentation] フロリゲンが植物に環境の記憶を刻み込む過程のイメージング (2016)
  • Author(s): 辻 寛之
  • Organizer: 日本植物学会第80回大会,
  • Place of Presentation: 沖縄コンベンションセンター 沖縄県那覇市
  • Year and Date: 2016-09-16
  • Invited
• [Presentation] 花芽をつくる植物ホルモン・フロリゲンの分子機能 (2016)
  • Author(s): 辻 寛之
  • Organizer: 名古屋大学・理学研究科 IGERセミナー
  • Place of Presentation: 名古屋大学 愛知県名古屋市
  • Year and Date: 2016-08-05
  • Invited
• [Presentation] フロリゲンの分子機能 (2016)
  • Author(s): 辻 寛之
  • Organizer: 名古屋大学・生命農学研究科 IGERセミナー
  • Place of Presentation: 名古屋大学 愛知県名古屋市
  • Year and Date: 2016-07-14
  • Invited
• [Presentation] フロリゲンの超解像度イメージング (2016)
  • Author(s): 辻 寛之
  • Organizer: イネ遺伝学・分子生物学ワークショップ2016,
  • Place of Presentation: 名古屋大学 愛知県名古屋市
  • Year and Date: 2016-07-04
  • Invited
• [Remarks] 横浜市立大学・木原生物学研究所 辻研究室
  • URL: https://hiroyukitsuji.tumblr.com
• [Remarks] 横浜市立大学・木原生物学研究所 辻研究室
  • URL: http://hiroyukitsuji.tumblr.com
• [Remarks] Website
  • URL: http://hiroyukitsuji.tumblr.com