Key-Molecule-Network in Plant Reproduction

• Project/Area Number: 22K21352
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (International Leading Research )
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 東山 哲也 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (00313205)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 土松 隆志 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (60740107) ; 岩田 洋佳 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 教授 (00355489) ; 河内 孝之 京都大学, 生命科学研究科, 教授 (40202056) ; 那須田 周平 京都大学, 農学研究科, 教授 (10273492) ; 工藤 洋 京都大学, 生態学研究センター, 教授 (10291569) ; 植田 美那子 東北大学, 生命科学研究科, 教授 (20598726) ; 大林 武 東北大学, 情報科学研究科, 教授 (50397048) ; 榊原 恵子 立教大学, 理学部, 准教授 (90590000) ; 佐藤 良勝 名古屋大学, トランスフォーマティブ生命分子研究所, 特任准教授 (30414014)
• Project Period (FY): 2022-12-20 – 2029-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥689,000,000 (Direct Cost: ¥530,000,000、Indirect Cost: ¥159,000,000); Fiscal Year 2028: ¥105,300,000 (Direct Cost: ¥81,000,000、Indirect Cost: ¥24,300,000); Fiscal Year 2027: ¥105,300,000 (Direct Cost: ¥81,000,000、Indirect Cost: ¥24,300,000); Fiscal Year 2026: ¥105,300,000 (Direct Cost: ¥81,000,000、Indirect Cost: ¥24,300,000); Fiscal Year 2025: ¥105,300,000 (Direct Cost: ¥81,000,000、Indirect Cost: ¥24,300,000); Fiscal Year 2024: ¥105,300,000 (Direct Cost: ¥81,000,000、Indirect Cost: ¥24,300,000); Fiscal Year 2023: ¥71,500,000 (Direct Cost: ¥55,000,000、Indirect Cost: ¥16,500,000); Fiscal Year 2022: ¥91,000,000 (Direct Cost: ¥70,000,000、Indirect Cost: ¥21,000,000)
• Keywords: 植物生殖 / 鍵分子ネットワーク / 分子科学 / 大規模データ科学 / 国際的次世代若手リーダー

Outline of Research at the Start

進化・適応・育種の観点から、植物生殖の鍵分子ネットワークを構成する重要な鍵分子とその機能は何か、日欧のトップ研究者を結集して解明する。実験室における鍵分子機能の研究（分子科学）とフィールドにおける植物システムの研究（大規模データ科学）を融合する。多くの知見を発表し、画期的な技術・装置・データベース・数理モデルを創出する。特に、1)環境応答、2)ゲノム柔軟性、3)細胞間コミュニケーション、4)生殖発生を重要課題とする。7つのテクノロジーユニットも設置する。若手育成は、1)ネットワーキング、2)異分野融合、3)挑戦を重視して進め、in-house grant制度により異分野融合及び成長を促す。

Outline of Annual Research Achievements

植物生殖は植物の種の存続のみならず、穀物生産を介して人類の生存も支えている。近年、植物生殖の鍵となる生理活性分子や転写調節因子などの分子同定が進んでいる。しかし、これらの鍵分子群が、野外の植物の生殖、育種、進化においていかに重要であるのか、明らかではない。鍵分子群がどのような作動原理で分子ネットワークをつくり（鍵分子ネットワークと呼ぶ）、環境の変化、育種、進化においてどのような役割を果たしているのか、解明が期待される。本研究では、最先端の分子科学と大規模データ科学を両輪に、本分野を先導する日欧の研究者を結集する。学生およびポスドクが独立テーマにより本研究を推進することで、鍵分子ネットワークの解明および優れた国際的若手PIの育成の両者を達成する。本年度は、日本（東京）とスイス（チューリッヒ）のそれぞれで、キックオフシンポジウムを開催し、共同研究を大きく加速させた。さらに、国内での共同研究や情報交換、ネットワーキングの加速を目的としたKEPLRセミナーシリーズも開催した。KEPLRセミナーをハイブリッドで行うことで、東京地区、仙台地区、京都・名古屋地区の各地区を中心に、対面での交流も深めた。プロジェクトホームページも立ち上げ、国内外の多くの研究機関が参加する本プロジェクトの中核が確立した。海外渡航も加速し、短期長期を含め、大学院生7名、ポスドク12名がKEPLRメンバーとしてヨーロッパに渡航・滞在した。プロジェクト内にURAとして特任助教を配置し、プロジェクト全体の円滑な運営とネットワーキングの強化を図ることにした。東京大学の戦略的パートナーシップETHZ/UZHチームに積極的に加わり、チューリッヒでの異分野国際シンポジウムにおいて環境科学分野への展開に貢献した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

日本だけでなくチューリッヒでもキックオフシンポジウム（口頭発表、ポスター発表、交流会）を行うことで、日欧の69名の参加者が集い、国際共同研究を大きく加速することができた。KEPLRセミナーシリーズを新たに立案・実行することで、単なる派遣事業とならず、プロジェクトが一体となって研究を進める体制が強化され、また学生・ポスドク間の交流が進んだ。申請時には計画になかった特任助教を配置することで、一連の活動を円滑に推進するとともに、学生・ポスドクのネットワーキングを強化することができた。

Strategy for Future Research Activity

本研究では、植物生殖において鍵分子ネットワークを構成する重要な鍵分子とその機能は何かを、進化、適応、育種の観点から問う。実験室における植物生殖の鍵分子機能の研究（分子科学）とフィールドにおける植物システムの研究（大規模データ科学）を融合する。多くの知見を発表し、画期的な技術・装置・データベース・数理モデルを創出する。

環境応答グループでは、季節の感知による花成や環境適応など、野外での定点観測に優れた植物ならではのアプローチで、興味深い現象の鍵分子群の同定および数理モデルの導出を達成する。ゲノム柔軟性グループでは、植物の大きな特徴の一つである、核相や生殖系列の柔軟性、クロマチン制御について、植物科学が得意とする遺伝学も駆使して鍵分子ネットワークを解明する。細胞間コミュニケーショングループは、複雑な雌しべ組織で起こる多段階の細胞間コミュニケーションによる受精・遺伝、その劇的な分子進化を解明し、その自在なデザイン・改変により理解を証明する。生殖発生グループでは、受精卵からの初期胚発生やゲノムインプリンティングを中心として、父母のゲノムを合わせた1細胞から組織や個体が発生する仕組みの鍵分子ネットワークを解明する。全てのグループで、国際共同研究が進んでおり、その一部は発表され始めた。長期のポスドクの派遣が増加しており、学生の長期派遣も検討されている。次年度は、引き続きこれらの取り組みを継続および強化する。

若手育成においては、1)ネットワーキング、2)異分野融合、3)挑戦、の3点を重視する。プロジェクトホームページを通じてメンバーの活動が活発に発信され始めたので、次年度も、引き続き取り組みを継続および強化する。特に次年度は、本プロジェクト内で整備を進めてきたin-house grant制度の運用を開始する。テニュアポストを獲得した若手メンバーのスタートアップ支援も開始する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] チューリッヒ大学/ETHチューリッヒ/ローザンヌ大学(スイス)
• [Int'l Joint Research] グレゴールメンデル研究所/オーストリア科学技術研究所(オーストリア)
• [Int'l Joint Research] ジョンイネスセンター(英国)
• [Int'l Joint Research] テクニオン(イスラエル)
• [Int'l Joint Research] サクレー大学/国立農学研究所INRAE/リール大学(フランス)
• [Int'l Joint Research]
• [Int'l Joint Research] チューリッヒ大学(スイス)
• [Int'l Joint Research] グレゴールメンデル研究所(オーストリア)
• [Int'l Joint Research] ジョンイネスセンター(英国)
• [Int'l Joint Research] サクレ―大学(フランス)
• [Int'l Joint Research] テクニオン(イスラエル)
• [Journal Article] Submicron‐scale chromatin architecture in <i>Cycas revoluta</i> pollen nuclei (2024)
  • Author(s): Toyama Yukiho、Higashiyama Tetsuya
  • Journal Title: Molecular Reproduction and Development Volume: 91 Issue: 1
  • DOI: 10.1002/mrd.23726
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Conserved CKI1-mediated signaling is required for female germline specification in Marchantia polymorpha (2024)
  • Author(s): Bao Haonan、Sun Rui、Iwano Megumi、Yoshitake Yoshihiro、Aki Shiori S.、Umeda Masaaki、Nishihama Ryuichi、Yamaoka Shohei、Kohchi Takayuki
  • Journal Title: Current Biology Volume: 34 Issue: 6 Pages: 1324-1332
  • DOI: 10.1016/j.cub.2024.01.013
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Transcription of the Antisense Long Non-Coding RNA, SUPPRESSOR OF FEMINIZATION, Represses Expression of the Female-Promoting Gene FEMALE GAMETOPHYTE MYB in the Liverwort Marchantia polymorpha (2024)
  • Author(s): Kajiwara Tomoaki、Miyazaki Motoki、Yamaoka Shohei、Yoshitake Yoshihiro、Yasui Yukiko、Nishihama Ryuichi、Kohchi Takayuki
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 65 Issue: 3 Pages: 338-349
  • DOI: 10.1093/pcp/pcad170
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Protocol: an improved method for inducing sporophyte generation in the model moss Physcomitrium patens under nitrogen starvation (2023)
  • Author(s): Yoro Emiko、Koshimizu Shizuka、Murata Takashi、Sakakibara Keiko
  • Journal Title: Plant Methods Volume: 19 Issue: 1 Pages: 100-100
  • DOI: 10.1186/s13007-023-01077-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Seasonal pigment fluctuation in diploid and polyploid Arabidopsis revealed by machine learning-based phenotyping method PlantServation (2023)
  • Author(s): Akiyama Reiko、Goto Takao、Tameshige Toshiaki、Sugisaka Jiro、Kuroki Ken、Sun Jianqiang、Akita Junichi、Hatakeyama Masaomi、Kudoh Hiroshi、Kenta Tanaka、Tonouchi Aya、Shimahara Yuki、Sese Jun、Kutsuna Natsumaro、Shimizu-Inatsugi Rie、Shimizu Kentaro K.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1 Pages: 5792-5792
  • DOI: 10.1038/s41467-023-41260-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Small RNA-regulated dominance among polyploid subgenomes supports Haldane's sieve in evolution of self-compatibility. (2023)
  • Author(s): Yew, C.-L., Tsuchimatsu, T., Shimizu-Inatsugi, R., Yasuda, S., Hatakeyama, M., Kakui, H., Ohta, T., Suwabe, K., Watanabe, M., Takayama, S., Shimizu, K. K.
  • Journal Title: Nature Commun. Volume: 14 Issue: 1 Pages: 7618-7618
  • DOI: 10.1038/s41467-023-43275-2
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Genome editing approaches using reproductive cells/tissues in flowering plants (2023)
  • Author(s): Toda Erika、Kato Norio、Higashiyama Tetsuya、Okamoto Takashi
  • Journal Title: Frontiers in Genome Editing Volume: 4 Pages: 1085023-1085023
  • DOI: 10.3389/fgeed.2022.1085023
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Extensive copy number variation explains genome size variation in the unicellular zygnematophycean alga, Closterium peracerosum-strigosum-littorale complex (2023)
  • Author(s): Kawaguchi, Y., Tsuchikane, Y., Tanaka, K., Taji, T., Suzuki, Y., Toyoda, A., Ito, M., Watano, Y., Nishiyama, T., Sekimoto, H., Tsuchimatsu, T.
  • Journal Title: Genome Biol. Evol. Volume: 15 Issue: 8
  • DOI: 10.1093/gbe/evad115
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The 33rd International Conference on Arabidopsis Research (ICAR2023) (2023)
  • Author(s): Ueda Minoru、Higashiyama Tetsuya、Sugimoto Keiko、Mochida Keiichi、Nakajima Keiji、Hayashi Makoto、Okamoto Masanori、Nakamura Yuki、Seki Motoaki
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 28 Issue: 12 Pages: 825-830
  • DOI: 10.1111/gtc.13071
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] What can hornworts teach us? (2023)
  • Author(s): Frangedakis Eftychios、Marron Alan O.、Waller Manuel、Neubauer Anna、Tse Sze Wai、Yue Yuling、Ruaud Stephanie、Waser Lucas、Sakakibara Keiko、Sz?v?nyi P?ter
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 14 Pages: 1108027-1108027
  • DOI: 10.3389/fpls.2023.1108027
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Novel inhibitors of microtubule organization and phragmoplast formation in diverse plant species (2023)
  • Author(s): Kimata Yusuke、Yamada Moe、Murata Takashi、Kuwata Keiko、Sato Ayato、Suzuki Takamasa、Kurihara Daisuke、Hasebe Mitsuyasu、Higashiyama Tetsuya、Ueda Minako
  • Journal Title: Life Science Alliance Volume: 6 Issue: 5 Pages: e202201657-e202201657
  • DOI: 10.26508/lsa.202201657
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Poly(A) polymerase 1 contributes to competence acquisition of pollen tubes growing through the style in <i>Arabidopsis thaliana</i> (2023)
  • Author(s): Ramming Anna、Kappel Christian、Kanaoka Masahiro M.、Higashiyama Tetsuya、Lenhard Michael
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: 114 Issue: 3 Pages: 651-667
  • DOI: 10.1111/tpj.16162
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Time‐series multispectral imaging in soybean for improving biomass and genomic prediction accuracy (2022)
  • Author(s): Sakurai Kengo、Toda Yusuke、Kajiya‐Kanegae Hiromi、Ohmori Yoshihiro、Yamasaki Yuji、Takahashi Hirokazu、Takanashi Hideki、Tsuda Mai、Tsujimoto Hisashi、Kaga Akito、Nakazono Mikio、Fujiwara Toru、Iwata Hiroyoshi
  • Journal Title: The Plant Genome Volume: 15 Issue: 4
  • DOI: 10.1002/tpg2.20244
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of a high-throughput field phenotyping rover optimized for size-limited breeding fields as open-source hardware (2022)
  • Author(s): Kuroki Ken、Yan Kai、Iwata Hiroyoshi、Shimizu Kentaro K.、Tameshige Toshiaki、Nasuda Shuhei、Guo Wei
  • Journal Title: Breeding Science Volume: 72 Issue: 1 Pages: 66-74
  • DOI: 10.1270/jsbbs.21059
  • NAID: 130008158306
  • ISSN: 1344-7610, 1347-3735
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Genomic Prediction of Green Fraction Dynamics in Soybean Using Unmanned Aerial Vehicles Observations (2022)
  • Author(s): Toda Yusuke、Sasaki Goshi、Ohmori Yoshihiro、Yamasaki Yuji、Takahashi Hirokazu、Takanashi Hideki、Tsuda Mai、Kajiya-Kanegae Hiromi、Lopez-Lozano Raul、Tsujimoto Hisashi、Kaga Akito、Nakazono Mikio、Fujiwara Toru、Baret Frederic、Iwata Hiroyoshi
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 13 Pages: 828864-828864
  • DOI: 10.3389/fpls.2022.828864
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A novel function for the sperm adhesion protein IZUMO1 in cell?cell fusion (2022)
  • Author(s): Brukman Nicolas G.、Nakajima Kohdai P.、Valansi Clari、Flyak Kateryna、Li Xiaohui、Higashiyama Tetsuya、Podbilewicz Benjamin
  • Journal Title: Journal of Cell Biology Volume: 222 Issue: 2
  • DOI: 10.1083/jcb.202207147
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Introduction of Key-Molecule-Network in Plant Reproduction project (2023)
  • Author(s): Tetsuya Higashiyama
  • Organizer: Joint Kickoff Symposium “Plant Reproduction Research by International Networking”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Key Molecular and Cellular Dynamics in Plant Reproduction (2023)
  • Author(s): Tetsuya Higashiyama
  • Organizer: Invited Seminar in Chiang Mai University
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] How do the two sperm cells fuse with the two different female gametes in flowering plants? (2023)
  • Author(s): Tetsuya Higashiyama
  • Organizer: EMBO Workshop “Mechanisms of Membrane Fusion”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Imaging Approaches for Peptide Signaling in Pollen Tube Guidance (2023)
  • Author(s): Tetsuya Higashiyama
  • Organizer: Plant Peptides and Receptors Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] International Leading Research KEPLR, Key-Molecule-Network in Plant Reproduction (2023)
  • Author(s): Tetsuya Higashiyama
  • Organizer: The Interdisciplinary Strategic Partnership Tokyo - Zurich Symposium 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Launching KEPLR/ Plant fertilization studies of non-model species in the field (2023)
  • Author(s): Tetsuya Higashiyama
  • Organizer: KEPLR Kickoff Meeting Zurich
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Crossing Strategy for Plant Breeding (2023)
  • Author(s): Kengo Sakurai, Kosuke Hamazaki, Minoru Inamori, Akito Kaga, Hiroyoshi Iwata
  • Organizer: The Interdisciplinary Strategic Partnership Tokyo - Zurich Symposium 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Modeling genome-phenome relationships to accelerate plant breeding (2023)
  • Author(s): Hiroyoshi Iwata
  • Organizer: Workshop on Plant Biology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Application of Data Science to Accelerate Crop Improvement¶ (2023)
  • Author(s): Hiroyoshi Iwata
  • Organizer: The Interdisciplinary Strategic Partnership Tokyo - Zurich Symposium 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Epigenetic Regulation of Reproductive Induction and Sexual Differentiation in Marchantia polymorpha (2023)
  • Author(s): Takayuki Kohchi
  • Organizer: KEPLR Kickoff Meeting Zurich
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The role of H3K27me3 repressive histone modification is a seasonal environment (2023)
  • Author(s): Hiroshi Kudoh
  • Organizer: KEPLR Kickoff Meeting Zurich
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Phenology of epigenetic regulation: Seasonality of H3K27me3 and H3K4me3 in natural plant population (2023)
  • Author(s): Hiroshi Kudoh
  • Organizer: Joint Kickoff Symposium “Plant Reproduction Research by International Networking”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Study on Cycas revoluta fertilization with motile sperm toward elucidation of plant reproduction system evolution (2023)
  • Author(s): Yukiho Toyama
  • Organizer: Joint Kickoff Symposium “Plant Reproduction Research by International Networking”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Towards data-driven breeding - combining genomics and high throughput phenotyping (2023)
  • Author(s): 那須田周平
  • Organizer: 京都大学－チューリヒ大学 戦略的パートナーシップ ジョイントシンポジウム2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] KEPLR project homepage
  • URL: https://keplr.jp/
• [Funded Workshop] Joint Kickoff Symposium “Plant Reproduction Research by International Networking” (2023)
• [Funded Workshop] KEPLR Kickoff Meeting Zurich (2023)
• [Funded Workshop] The 33rd International Conference on Arabidopsis Research (ICAR2023) (2023)