交雑適合性に関わる遺伝子間の調和と軋轢の分子機構

• Project Area: Correlative gene system: establishing next-generation genetics
• Project/Area Number: 23113002
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Research Institution: Nara Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: 高山 誠司 Nara Institute of Science and Technology, バイオサイエンス研究科, 教授 (70273836)
• Project Fiscal Year: 2011-07-25 – 2016-03-31(Estimated)
• Project Status: Adopted(Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥157,950,000 (Direct Cost : ¥121,500,000、Indirect Cost : ¥36,450,000); Fiscal Year 2015 : ¥27,820,000 (Direct Cost : ¥21,400,000、Indirect Cost : ¥6,420,000); Fiscal Year 2014 : ¥27,820,000 (Direct Cost : ¥21,400,000、Indirect Cost : ¥6,420,000); Fiscal Year 2013 : ¥29,380,000 (Direct Cost : ¥22,600,000、Indirect Cost : ¥6,780,000); Fiscal Year 2012 : ¥28,990,000 (Direct Cost : ¥22,300,000、Indirect Cost : ¥6,690,000); Fiscal Year 2011 : ¥43,940,000 (Direct Cost : ¥33,800,000、Indirect Cost : ¥10,140,000)
• Keywords: 遺伝学 / 遺伝子 / ゲノム / 植物 / 進化 / エピジェネティクス / 自家不和合性 / 優劣性

Outline of Annual Research Achievements

以下2項目のゲノム遺伝子相関現象の解明を目的として研究を行った。
１．対立遺伝子間におけるエピジェネティックな優劣性発現制御機構の解明
　アブラナ科植物Brassica rapaにおいて新たに見出された低分子RNAの一分子種Smi2が、class-IIに属するSハプロタイプ間の直線的な優劣性（S44 > S60 > S40 > S29）を決定する因子である可能性が強く示唆された。優性側Sハプロタイプより作られるSmi2は、いずれも劣性側SハプロタイプのSP11プロモーター領域と高い相同性を示し、当該遺伝子のDNAメチル化、サイレンシングを誘導しているものと予測された。また、最劣性のS29ハプロタイプでは、塩基置換によりSmi2が前駆体から切り出されておらず、それが他のSハプロタイプのサイレンシングを誘導しない理由である可能性が示唆された。
２．遺伝子重複を介した非自己対立遺伝子認識機構の解明
　花粉トランスクリプトーム解析より、ナス科植物Petunia hybridaの各Sハプロタイプは16-20の花粉因子SLFsを持ち、それらは18種類のタイプに分類されることが判明した。また、SLFsの配列上にはSハプロタイプ間で多数の組換えが検出され、進化の過程でgene conversion等によりSLFsの受け渡しが行われてきたことが示唆された。また、このgene conversionを介したSLFsの受け渡しが、自家和合性株への自然変異にも寄与していることが示唆された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

１．対立遺伝子間におけるエピジェネティックな優劣性発現制御機構の解明
　アブラナ科植物B. rapaの自家不和合性花粉因子の対立遺伝子間に認められる複雑な優劣性関係を説明しうる低分子RNAを発見することに成功した。実験的証明を目指して進めている形質転換実験も順調に進んでおり、本機構の優劣性への普遍的関与を証明できるものと期待している。
２．遺伝子重複を介した非自己対立遺伝子認識機構の解明
　ナス科植物の自家不和合性の非自己認識に関与する花粉因子を網羅的に同定すると共に、これら多数の花粉因子が生み出されてくる過程で、遺伝子重複に加え、自家不和合性遺伝子座では起きないと考えられていたgene conversionが起きているという新たな発見をし、世界に先駆けて報告することができた。

Research Output

• [Journal Article] Transcriptional characteristics and differences in Arabidopsis stigmatic papilla cells pre- and post-pollination (2015)
  • Author(s): Tomoki Matsuda, Mai Matsushima, Moe Nabemoto, Masaaki Osaka, Satomi Sakazono, Hiromi Masuko-Suzuki, Hirokazu Takahashi, Mikiko Nakazono, Megumi Iwano, Seiji Takayama, Kentaro K. Shimizu, Katsuzumi Okumura, Go Suzuki, Masao Watanabe, Keita Suwabe
  • Journal Title: Plant & Cell Physiology Volume : 56 Pages : 663-673
  • DOI: 10.1093/pcp/pcu209
• [Journal Article] Gene duplication and genetic exchange drive the evolution of S-RNase-based self-incompatibility in Petunia (2015)
  • Author(s): Ken-ichi Kubo, Timothy Paape, Masaomi Hatakeyama, Tetsuyuki Entani, Akie Takara, Kie Kajihara, Mai Tsukahara, Rie Shimizu-Inatsugi, Kentaro K. Shimizu, Seiji Takayama
  • Journal Title: Nature Plants Volume : 1 Pages : 14005
  • DOI: 10.1038/nplants.2014.5
• [Journal Article] Physiological and genetic analysis of CO2-induced breakdown of self-incompatibility in Brassica rapa (2014)
  • Author(s): Xintian Lao, Keita Suwabe, Satoshi Niikura, Mitsuru Kakita, Megumi Iwano, Seiji Takayama
  • Journal Title: Journal of Experimental Botany Volume : 65 Pages : 939-951
  • DOI: 10.1093/jxb/ert438
• [Journal Article] A pollen coat-inducible autoinhibited Ca2+-ATPase expressed in stigmatic papilla cells Is required for compatible pollination in the Brassicaceae (2014)
  • Author(s): Meguni Iwano, Motoko Igarashi, Yoshiaki Tarutani, Pulla Kaothien-Nakayama, Hideki Nakayama, Hideki Moriyama, Ryo Yakabe, Tetsuyuki Entani, Hiroko Shimosato-Asano, Masao Ueki, Gen Tamiya, Seiji Takayama
  • Journal Title: Plant Cell Volume : 26 Pages : 636-649
  • DOI: 10.1105/tpc.113.121350
• [Journal Article] Ca2+-activated reactive oxygen species production by Arabidopsis RbohH and RbohJ is essential for proper pollen tube tip growth (2014)
  • Author(s): Hidetaka Kaya, Ryo Nakajima, Megumi Iwano, Masahiro M. Kanaoka, Sachie Kimura, Seiji Takeda, Tomoko Kawarazaki, Eriko Senzaki, Yuki Hamamura, Tetsuya Higashiyama, Seiji Takayama, Mitsutomo Abe, Kazuyuki Kuchitsu
  • Journal Title: Plant Cell Volume : 印刷中 Pages : 印刷中
  • DOI: 10.1105/tpc.113.120642
• [Journal Article] Ubiquitin-proteasome-mediated degradation of S-RNase in a solanaceous cross-compatibility reaction. (2014)
  • Author(s): Tetsuyuki Entani, Ken-ichi Kubo, Shin Isogai, Yoichiro Fukao, Masahiro Shirakawa, Akira Isogai, Seiji Takayama
  • Journal Title: Plant Journal Volume : 78 Pages : 1014-1021
  • DOI: 10.1111/tpj.12528
• [Journal Article] Involvement of MLPK pathway in intraspecies unilateral incompatibility regulated by a single locus with stigma and pollen factors (2013)
  • Author(s): Yoshinobu Takada, Takahiro Sato, Go Suzuki, Hiroshi Shiba, Seiji Takayama, Masao Watanabe
  • Journal Title: G3 (Bethesda) Volume : 3 Pages : 719-726
  • DOI: 10.1534/g3.113.005892
• [Journal Article] Cell type-specific transcriptome of Brassicaceae stigmatic papilla cells from a combination of laser microdissection and RNA sequencing (2013)
  • Author(s): Masaaki Osaka, Tomoki Matsuda, Satomi Sakazono, Hiromi Masuko-Suzuki, Shunsuke Maeda, Misato Sewaki, Mikako Sone, Hirokazu Takahashi, Mikio Nakazono, Megumi Iwano, Seiji Takayama, Kentaro K. Shimizu, Kentaro Yano, Yong Pyo Lim, Go Suzuki, Keita Suwabe, Masao Watanabe
  • Journal Title: Plant Cell Physiolosy Volume : 54 Pages : 1894-1906
  • DOI: 10.1093/pcp/pct133
• [Journal Article] Self/non-self discrimination in angiosperm self-incompatibility (2012)
  • Author(s): Iwano, M.
  • Journal Title: Current Opinion in Plant Biology Volume : 15 Pages : 78-83
  • DOI: 10.1016/j.pbi.2011.09.003
• [Journal Article] Epigenetic regulation of monoallelic gene expression (2012)
  • Author(s): Shiba, H.
  • Journal Title: Development, Growth and Differentiation Volume : 54 Pages : 120-128
  • DOI: 10.1111/j.1440-169X.2011.01317.x
• [Journal Article] Monoallelic gene expression and its mechanisms (2011)
  • Author(s): Tarutani, Y.
  • Journal Title: Current Opinion in Plant Biology Volume : 14 Pages : 608-613
  • DOI: 10.1016/j.pbi.2011.07.001
• [Journal Article] HMG domain containing SSRP1 is required for DNA demethylation and genomic imprinting in Arabidopsis (2011)
  • Author(s): Ikeda, Y.
  • Journal Title: Developmental Cell Volume : 21 Pages : 589-596
  • DOI: 10.1016/j.devcel.2011.08.013
• [Journal Article] 優性遺伝子が劣性遺伝子に勝つ新たな仕組み (2011)
  • Author(s): 樽谷芳明
  • Journal Title: 化学と生物 Volume : 49 Pages : 678-682
• [Presentation] 遺伝子重複と遺伝子交換がS-RNase型自家不和合性の進化をドライブする (2015)
  • Author(s): 久保健一、Timothy Paape、畠山剛臣、円谷徹之、清水（稲継）理恵、清水健太郎、高山誠司
  • Organizer: 第56回日本植物生理学会
  • Place of Presentation: 東京農業大学（東京都世田谷区）
• [Presentation] Pollen-stiguma interaction in the Brassicaceae (2015)
  • Author(s): Sota Fujii、Meguni Iwano、Kanae Ito、Seiji Takayama
  • Organizer: 第56回日本植物生理学会シンポジウム「Molecular dissection of reproductive processes in plants」
  • Place of Presentation: 東京農業大学（東京都世田谷区）
• [Presentation] アブラナ科植物の和合・不和合受粉過程における情報伝達系の解析 (2014)
  • Author(s): 岩野恵、伊藤花菜江、五十嵐元子、浅野（下里）裕子、高山誠司
  • Organizer: 第55回日本植物生理学会シンポジウム
  • Place of Presentation: 富山大学五福キャンパス（富山県富山市）
• [Presentation] Search for genes involved in cross- and self-pollination in the Brassicaceae (2014)
  • Author(s): Motoko Igarashi, Keiko Ohara, Megumi Iwano, Masahiro Fujita, Nori Kurata, Seiji Takayama
  • Organizer: 第55回日本植物生理学会
  • Place of Presentation: 富山大学五福キャンパス（富山県富山市）
• [Presentation] STEM トモグラフィーを用いたシロイヌナズナの受精過程の解析 (2014)
  • Author(s): 堀井真人、岩野恵、森稔幸、高山誠司
  • Organizer: 第55回日本植物生理学会
  • Place of Presentation: 富山大学五福キャンパス（富山県富山市）
• [Presentation] 植物の自家不和合性機構の多様性と進化 (2014)
  • Author(s): 久保健一、円谷徹之、岩野恵、高山誠司
  • Organizer: 第37回日本分子生物学会ワークショップ「動植物における生殖戦略とその分子基盤」
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
• [Presentation] アブラナ科植物自家不和合性の分子メカニズム (2013)
  • Author(s): 岩野恵、伊藤花菜江、浅野（下里）裕子、五十嵐元子、岩尾康宏，高山誠司
  • Organizer: 第36回日本分子生物学会ワークショップ
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド（兵庫県神戸市）
• [Presentation] Noncoding RNA and epigenetics in self, non-self recognition in fertilization (2012)
  • Author(s): Takayama, S.
  • Organizer: Keystone Symposium "Nuclear Events in Plant Gene Expression and Signaling"
  • Place of Presentation: Sagebrush Inn (Taos, USA)(招待講演)
• [Presentation] Epigenetic regulation of dominance relationships in Brassica self-incompatibility alleles (2011)
  • Author(s): Shiba, H.
  • Organizer: 第34回日本分子生物学会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜(神奈川)(招待講演)
• [Presentation] Collaborative non-self recognition system in S-RNase-based self-incompatibility (2011)
  • Author(s): Kubo, K.
  • Organizer: 8th Solanaceae and 2nd Cucurbitaceae Joint Conference (SOL & ICuGI 2011)
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場(兵庫)(招待講演)
• [Presentation] エピゲノムを介した自家不和合性対立遺伝子間の優劣性発現制御 (2011)
  • Author(s): 柴博史
  • Organizer: 第83回日本遺伝学会
  • Place of Presentation: 京都大学(京都)(招待講演)
• [Presentation] 植物の自家不和合性における自己非自己識別機構に関する研究
  • Author(s): 高山誠司
  • Organizer: 第84回日本農学大会
  • Place of Presentation: 東京大学山上会館（東京都文京区）
• [Presentation] Analysis of intracellular signaling pathway in Brassica self-incompatibility
  • Author(s): Kanae Ito, Megumi Iwano, Hiroko Shimosato-Asano, Mitsuru Kakita, Pulla Nakayama, Seiji Takayama
  • Organizer: 奈良先端未来開拓コロキウム "Signaling and Coordination in Plant Development"
  • Place of Presentation: 奈良先端科学技術大学院大学（奈良県生駒市）
• [Presentation] Molecular mechanism for S-RNase-based self incompatibility in Petunia
  • Author(s): Mai Tsukahara, Tetsuyuki Entani, Ken-ichi Kubo, Kohji Murase, Megumi Iwano, Seiji Takayama
  • Organizer: 奈良先端未来開拓コロキウム "Signaling and Coordination in Plant Development"
  • Place of Presentation: 奈良先端科学技術大学院大学（奈良県生駒市）
• [Book] "Self-Incompatibility in the Brassicaceae" in "Sexual Reproduction in Animals and Plants" (2014)
  • Author(s): Megumi Iwano, Kanae Ito, Hiroko Shimosato-Asano, Kok Song Lai, Seiji Takayama
  • Total Pages: 480 (245-254)
  • Publisher: Springer, Heidelberg
• [Remarks]
  • URL: http://bsw3.naist.jp/takayama/
• [Remarks]
  • URL: http://www.ige.tohoku.ac.jp/prg/genetics/
• [Remarks] ゲノム・遺伝子相関 ー新しい遺伝学分野の創成ー
  • URL: http://www.ige.tohoku.ac.jp/prg/genetics/
• [Remarks] ゲノム・遺伝子相関―新しい遺伝学分野の創成ー
  • URL: http://www.ige.tohoku.ac.jp/prg/genetics/
• [Remarks] 奈良先端科学技術大学院大学バイオサイエンス研究科細胞間情報学研究室
  • URL: http://bsw3.naist.jp/takayama/