両性花における動物を利用した他殖促進機構の構築原理

• Project Area: Genomic dynamics underlying the plastic hermaphroditism in plants: the basis of exploratory reproductive adaptations.
• Project/Area Number: 22H05176
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Nara Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: 伊藤 寿朗 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (90517096)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 北口 哲也 東京科学大学, 総合研究院, 准教授 (60432374)
• Project Period (FY): 2022-06-16 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2025)
• Budget Amount: ¥103,480,000 (Direct Cost: ¥79,600,000、Indirect Cost: ¥23,880,000); Fiscal Year 2026: ¥21,060,000 (Direct Cost: ¥16,200,000、Indirect Cost: ¥4,860,000); Fiscal Year 2025: ¥20,280,000 (Direct Cost: ¥15,600,000、Indirect Cost: ¥4,680,000); Fiscal Year 2024: ¥19,890,000 (Direct Cost: ¥15,300,000、Indirect Cost: ¥4,590,000); Fiscal Year 2023: ¥21,190,000 (Direct Cost: ¥16,300,000、Indirect Cost: ¥4,890,000); Fiscal Year 2022: ¥21,060,000 (Direct Cost: ¥16,200,000、Indirect Cost: ¥4,860,000)
• Keywords: 転写制御モジュール / 花発生 / cis-trans制御 / エピゲノム / 定量解析

Outline of Research at the Start

蜜腺は、多様な被子植物の種分化を生み出した原動力の1つであるが、本来の正しい位置に正しいタイミングで成熟した蜜腺をつくるための分子メカニズムは不明である。本研究は、1) 自殖する和合種であるシロイヌナズナでの蜜腺形成の鍵遺伝子のネットワーク機構の解析、2) シロイヌナズナ近縁種で他殖のみを行うセイヨウミヤマハタザオと、生育環境に応じて他殖を促進する開放花及び自殖のみを行う閉鎖花を使い分けるコカイタネツケバナの2種での蜜腺モジュールの比較解析を行う。これらの解析により、生殖様式に連動した定量的な蜜腺サイズと蜜量を決める分子機構を解明し、その可塑性を支える駆動メカニズムとゲノム動態を理解する。

Outline of Annual Research Achievements

シロイヌナズナにおける蜜腺形成の鍵遺伝子CRABS CLAW (CRC)の遺伝子ネットワーク機構の解明を進めた。ターゲット遺伝子として、MACCHI-BOU 4 (MAB4)やMYB57 遺伝子を同定した。MAB4タンパク質は、蜜腺の細胞の細胞膜に蜜腺の先端内部に向かって偏りをもって局在しており、オーキシンの輸送に関わるPIN1およびPIN6タンパク質の細胞内局在の制御に関与していることを蜜腺発生の時空間的に高解像度で示した。PIN1タンパク質はMAB4の働きにより、蜜腺形成初期において、先端に向かうように局在しており、その後、PIN6タンパク質はMAB4の働きにより、蜜腺形成後期において蜜腺内部に向かって局在していた。実際に、オーキシンシグナルを可視化することができるDR5レポーターは、mab4変異体では蜜腺の内部でのオーキシン量が劇的に減少していた。このことから、MAB4は蜜腺発達の初期には先端へ、後期には内部へのオーキシン輸送を促進することで、蜜腺の大きさを正に制御するという蜜腺形成の新規モデルが提唱された。さらにMAB4遺伝子の3’側にCRCが結合するエンハンサー領域があることを示した。領域内共同研究として、木下班とシロイヌナズナの新規インプリント遺伝子の解析を推進した。白澤班、清水班と合同でシロイヌナズナ近縁種での解析として、環境に応じて開放花と閉鎖花を作り分けるコカイタネツケバナのゲノムシークエンスを行った。さらに、幹細胞から異型細胞への分化制御機構(Nature Plants. DOI:10.1038/s41477-025-01921-1, 共責任著者)や化合物による花成制御機構（Communications Biology. DOI:10.1038/s42003-025-07553-7. 共責任著者）などの論文報告を行った。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

シロイヌナズナにおける蜜腺形成の主要遺伝子カスケードを同定し、オーキシンによる蜜腺形成機構の解明を成し遂げている。また、蜜腺形成の可塑性を研究するためのコカイタネツケバナのゲノム解析も共同研究にて成し遂げた。さらに、インプリント遺伝子の共同研究を推進して論文投稿準備を行っている他、異型細胞分化や花成制御に関わる研究成果について論文発表することが出来たなどの理由による。

Strategy for Future Research Activity

今後はこれまでに同定し解析を進めてきたシロイヌナズナにおける蜜腺形成の鍵因子であるCRCターゲット解析について論文化する。特にCRCターゲットのうち、オーキシンの輸送体であるPIN-FORMED (PIN) タンパク質の局在制御を介して、オーキシンの輸送を制御すると報告されているMACCHI-BOU 4 (MAB4) 遺伝子MACCHIBOU4（MAB4）の機能解析、MAB4とPIN1タンパク質の細胞内局在、オーキシンシグナルの蜜腺の発生時期に沿った解析に基づき、MAB4の蜜腺形成における機能モデル論文を投稿する。今後の研究の一つとして、MAB4遺伝子のシス領域の同定と予想されるコア配列に結合する因子のデータベース解析とその遺伝学的解析により、共通のcis配列に作用するCRCを含む蜜腺誘導のtrans複合体としての解析も進める。
CRCターゲット遺伝子群の高時空間分解能での解析として、空間情報を含んだシングルセルレベルでのRNA-seqを行う。さらに、ここのターゲット遺伝子に対して、それぞれのヒストン修飾因子の修飾酵素の突然変異体やタグラインを活用することで、エピゲノム状態が蜜腺形成遺伝子の時空間に特異的な発現制御に及ぼす影響及び、酵素群の機能を解明する。上記の統合的解析により、シロイヌナズナにおける蜜腺形成遺伝子ネットワークの時空間特異性を解明する。
シロイヌナズナ近縁種での解析として、環境に応じて開放花と閉鎖花を作り分けるコカイタネツケバナの花における蜜腺の形態を光学顕微鏡および走査型電子顕微鏡にて観察し、蜜腺領域のRNA-seqを行う。レポーター遺伝子の導入を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 南京大学生命科学学院(中国)
• [Journal Article] Co-option and neofunctionalization of stomatal executors for defence against herbivores in Brassicales (2025)
  • Author(s): Shirakawa Makoto,Oguro Tomoki,Sugano Shigeo S.,Yamaoka Shohei,Sagara Mayu,Tanida Mai、Sunuma Kyoko、Iwami Takuya、Nakanishi Tatsuyoshi、Horiuchi Keita、Kumaishi Kie、Yoshida Soma、Watanabe Mutsumi、Tohge Takayuki、Suzuki Takamasa、Ichihashi Yasunori、Takemiya Atsushi、Yamaguchi Nobutoshi、Kohchi Takayuki、Ito Toshiro
  • Journal Title: Nature Plants Volume: 11 Issue: 3 Pages: 483-504
  • DOI: 10.1038/s41477-025-01921-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Small molecules and heat treatments reverse vernalization via epigenetic modification in Arabidopsis (2025)
  • Author(s): Otsuka Nana、Yamaguchi Ryoya、Sawa Hikaru、Kadofusa Naoya、Kato Nanako、Nomura Yasuyuki、Yamaguchi Nobutoshi、Nagano Atsushi J.、Sato Ayato、Shirakawa Makoto、Ito Toshiro
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 8 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s42003-025-07553-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Brassinosteroid signaling represses ZINC FINGER PROTEIN11 to regulate ovule development in Arabidopsis (2024)
  • Author(s): Wang Xin、Liu Jiaxin、Shang Erlei、Hawar Amangul、Ito Toshiro、Sun Bo
  • Journal Title: The Plant Cell Volume: 36 Issue: 12 Pages: 5004-5022
  • DOI: 10.1093/plcell/koae273
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Arabidopsis SDG proteins mediate Polycomb removal and transcription-coupled H3K36 methylation for gene activation (2024)
  • Author(s): Yamaguchi Nobutoshi、Yicong Wang、Abe Masato、Kadoya Yuka、Saiki Takeru、Imai Kanae、Wang Xuejing、To Taiko、Inagaki Soichi、Suzuki Takamasa、Kakutani Tetsuji、Ito Toshiro
  • Journal Title: eLife Volume: - Pages: 100905-100905
  • DOI: 10.7554/elife.100905.1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Petal abscission is promoted by jasmonic acid-induced autophagy at Arabidopsis petal bases (2024)
  • Author(s): Furuta Yuki、Yamamoto Haruka、Hirakawa Takeshi、Uemura Akira、Pelayo Margaret Anne、Iimura Hideaki、Katagiri Naoya、Takeda-Kamiya Noriko、Kumaishi Kie、Shirakawa Makoto、Ishiguro Sumie、Ichihashi Yasunori、Suzuki Takamasa、Goh Tatsuaki、Toyooka Kiminori、Ito Toshiro、Yamaguchi Nobutoshi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 15 Issue: 1 Pages: 1098-1098
  • DOI: 10.1038/s41467-024-45371-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] AGAMOUS regulates various target genes via cell cycle?coupled H3K27me3 dilution in floral meristems and stamens (2023)
  • Author(s): Pelayo Margaret Anne、Morishita Fumi、Sawada Haruka、Matsushita Kasumi、Iimura Hideaki、He Zemiao、Looi Liang Sheng、Katagiri Naoya、Nagamori Asumi、Suzuki Takamasa、?irl Marek、Soukup Ale?、Satake Akiko、Ito Toshiro、Yamaguchi Nobutoshi
  • Journal Title: The Plant Cell Volume: - Issue: 8 Pages: 2821-2847
  • DOI: 10.1093/plcell/koad123
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Transcriptional Regulators of Plant Adaptation to Heat Stress (2023)
  • Author(s): Wang Xuejing、Tan Nicholas Wui Kiat、Chung Fong Yi、Yamaguchi Nobutoshi、Gan Eng-Seng、Ito Toshiro
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 24 Issue: 17 Pages: 13297-13297
  • DOI: 10.3390/ijms241713297
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] SHI family transcription factors regulate an interspecific barrier (2023)
  • Author(s): Fujii Sota、Yamamoto Eri、Ito Seitaro、Tangpranomkorn Surachat、Kimura Yuka、Miura Hiroki、Yamaguchi Nobutoshi、Kato Yoshinobu、Niidome Maki、Yoshida Aya、Shimosato-Asano Hiroko、Wada Yuko、Ito Toshiro、Takayama Seiji
  • Journal Title: Nature Plants Volume: 9 Issue: 11 Pages: 1862-1873
  • DOI: 10.1038/s41477-023-01535-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Single-Cell RNA Sequencing of Arabidopsis Leaf Tissues Identifies Multiple Specialized Cell Types: Idioblast Myrosin Cells and Potential Glucosinolate-Producing Cells (2022)
  • Author(s): Maeda Taro、Sugano Shigeo S、Shirakawa Makoto、Sagara Mayu、Ito Toshiro、Kondo Satoshi、Nagano Atsushi J
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 64 Issue: 2 Pages: 234-247
  • DOI: 10.1093/pcp/pcac167
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Histone Demethylases JMJ30 and JMJ32 Modulate the Speed of Vernalization Through the Activation of FLOWERING LOCUS C in Arabidopsis thaliana (2022)
  • Author(s): Maruoka Takashi、Gan Eng-Seng、Otsuka Nana、Shirakawa Makoto、Ito Toshiro
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 13
  • DOI: 10.3389/fpls.2022.837831
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Overexpression of AHL9 accelerates leaf senescence in Arabidopsis thaliana (2022)
  • Author(s): Zhou Yusen、Zhang Xiaomin、Chen Jing、Guo Xiaopeng、Wang Hongyan、Zhen Weibo、Zhang Junli、Hu Zhubing、Zhang Xuebing、Botella Jose Ramon、Ito Toshiro、Guo Siyi
  • Journal Title: BMC Plant Biology Volume: 22 Issue: 1
  • DOI: 10.1186/s12870-022-03622-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Arrest, Senescence and Death of Shoot Apical Stem Cells in Arabidopsis thaliana (2022)
  • Author(s): Wang Yukun、Shirakawa Makoto、Ito Toshiro
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 64 Issue: 3 Pages: 284-290
  • DOI: 10.1093/pcp/pcac155
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] FAMAの過剰発現による異所的なミロシン細胞の分化にはどのような空間情報が必要か？ (2025)
  • Author(s): 中西 辰慶、郷 達明、中島 敬二、白川 一、伊藤 寿朗
  • Organizer: 第66回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 脱春化誘導化合物DVR04とその標的候補因子の探索 (2025)
  • Author(s): 原田 晟那、大塚 菜那、佐藤 綾人、白川 一、伊藤 寿朗
  • Organizer: 第66回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 低分子化合物DVRsと高温処理によるエピジェネティック修飾を介した脱春化 (2025)
  • Author(s): 大塚 菜那、澤 ひかる、野村 康之、山口 暢俊、永野 惇、佐藤 綾人、白川 一、伊藤 寿朗
  • Organizer: 第66回日本植物生理学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナ胚乳における新規父方インプリント遺伝子AEGEUSの機能解析 (2025)
  • Author(s): 山﨑 聖翔、和田 七夕子、堀 孔明、海老原 諒子、下保 瑶己、山田 慧士朗、山口 翔、山口 京、高山 誠司、伊藤 寿朗
  • Organizer: 第66回日本植物生理学会年会
• [Presentation] FAMAによる表皮細胞の形態変化におけるWSBとSCAP1の役割 (2025)
  • Author(s): 木谷 光里、山口 暢俊、白川 一、伊藤 寿朗
  • Organizer: 第66回日本植物生理学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナでの雑種強勢に関連する候補遺伝子の初期生育における機能の検証 (2025)
  • Author(s): 前田 龍舞、和田 七夕子、WijayantiPutri、宇津木 一陽、高山 誠司、伊藤 寿朗
  • Organizer: 第66回日本植物生理学会年会
• [Presentation] エチレン下流で花弁脱離を引き起こす因子の探索 (2025)
  • Author(s): 古田 優生、山口 暢俊、伊藤 寿朗
  • Organizer: 第66回日本植物生理学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナにおける父母インプリント遺伝子の胚乳発達制御機構の解析 (2024)
  • Author(s): 逢阪 悠夏、海老原 諒子、下保 瑶己、山田 慧士朗、山口 翔、山口 京、和田 七夕子、高山 誠司、伊藤 寿朗
  • Organizer: 第47回日本分子生物学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナの父母インプリント遺伝子の下流遺伝子ネットワークの解析 (2024)
  • Author(s): 山﨑 聖翔、堀 孔明、海老原 諒子、下保 瑶己、山田 慧士朗、山口 翔、山口 京、和田 七夕子、高山 誠司、伊藤 寿朗
  • Organizer: 第47回日本分子生物学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナMACCHI-BOU4遺伝子の蜜腺における転写制御機構の解明 (2024)
  • Author(s): 太田 崚介、高橋 真、長森 愛純、伊藤 寿朗、山口 暢俊
  • Organizer: 第47回日本分子生物学会年会
• [Presentation] イソプレンによる植物の成長制御と高温応答の分子基盤の解明 (2024)
  • Author(s): 岡本 彩伽、山口 暢俊、伊藤 寿朗
  • Organizer: 第47回日本分子生物学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナのHSFAファミリーによる高温応答の制御機構 (2024)
  • Author(s): 石山 凜、本郷 達也、山口 暢俊、伊藤 寿朗
  • Organizer: 第47回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 脱春化誘導化合物DVR04の細胞内標的因子の機能解析 (2024)
  • Author(s): 原田 晟那、大塚 菜那、白川 一、伊藤 寿朗
  • Organizer: 第47回日本分子生物学会年会
• [Presentation] マスター転写因子FAMAによる細胞の形態変化を誘導する分子ネットワークの解析 (2024)
  • Author(s): 木谷 光里、白川 一、伊藤 寿朗
  • Organizer: 第47回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 芽生えサイズの雑種強勢に機能する候補遺伝子の機能解析 (2024)
  • Author(s): 前田 龍舞、和田 七夕子、Putri Wijayanti、宇津木 一陽、井阪 阿怜、田中 裕也、布平 竜也、羽根 佑樹、高山 誠司、伊藤 寿朗
  • Organizer: 日本植物学会第88回大会
• [Presentation] シロイヌナズナにおける花弁脱離制御機構の解明 (2024)
  • Author(s): 古田 優生、山口 暢俊、伊藤 寿朗
  • Organizer: 日本植物学会第88回大会
• [Presentation] Development of a red fluorescent protein-based immunosensor for myriad target molecules in vivo and in vitro (2024)
  • Author(s): Feng Zixu, Ippei Tsujimura, Sae Kazumi, Takanobu Yasuda, Zhu Bo, Toshiro Ito, Tetsuya Kitaguchi
  • Organizer: 第76回日本生物工学会大会
• [Presentation] Conflict in Harmony: The Interplay of AEGEUS and MEDEA in Seed Development (2024)
  • Author(s): Yuko Wada, Tetsu Kinoshita, Toshiro Ito
  • Organizer: IPMB2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Erasure of Epigenetic Memory in Arabidopsis Flowering Control (2023)
  • Author(s): Toshiro Ito
  • Organizer: The 33rd International Conference on Arabidopsis Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] From AGAMOUS to Petals: Senescence and Size Dynamics in Flowers. (2023)
  • Author(s): Toshiro Ito
  • Organizer: 2023 International Symposium on Plant Cell & Developmental Biology-Future Agriculture
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Chemical manipulation of epigenome towards flowering control (2023)
  • Author(s): Toshiro Ito
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
  • Int'l Joint Research
• [Book] "Misexpression Approaches for the Manipulation of Flower Development," Flower Development (2023)
  • Author(s): Yifeng Xu, Eng-Seng Gan, Toshiro Ito
  • Total Pages: 23
  • Publisher: Springer Nature
  • ISBN: 9781071632987
• [Book] "頂端分裂組織における幹細胞の分裂活性の停止と細胞死," 植物科学の最前線（BSJ-Review） (2023)
  • Author(s): 白川 一, 伊藤 寿朗
  • Total Pages: 9
  • Publisher: (公社)日本植物学会 電子出版物編集委員会
• [Book] "AGAMOUSによる花メリステムの細胞増殖停止機構," アグリバイオ (2023)
  • Author(s): 古田 優生, 山口 暢俊, 伊藤 寿朗
  • Total Pages: 6
  • Publisher: 北隆館
• [Book] 化学と生物 (2023)
  • Author(s): 宮嶋 渚，本郷達也，伊藤寿朗，山口暢俊
  • Total Pages: 49
  • Publisher: 日本農芸化学会
• [Remarks] 花発生分子遺伝学研究室 / 伊藤研究室
  • URL: https://bsw3.naist.jp/ito/
• [Remarks] 奈良先端科学技術大学院大学 バイオサイエンス領域 花発生分子遺伝学研究室ホームページ
  • URL: https://bsw3.naist.jp/ito/
• [Remarks] 挑戦的両性花原理
  • URL: https://www.ige.tohoku.ac.jp/prg/flower/
• [Remarks] 奈良先端科学技術大学院大学 バイオサイエンス領域 花発生分子遺伝学研究室
  • URL: https://bsw3.naist.jp/ito/