コケ植物モデルに基づく花粉の配偶子形成システムの解明とリモデリング

• 研究領域: 細胞運命操作による植物生殖システムのリモデリング
• 研究課題/領域番号: 20H05780
• 研究種目: 学術変革領域研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 学術変革領域研究区分(Ⅲ)
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 山岡 尚平 京都大学, 生命科学研究科, 准教授 (00378770)
• 研究期間 (年度): 2020-10-02 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 33,410千円 (直接経費: 25,700千円、間接経費: 7,710千円); 2022年度: 10,010千円 (直接経費: 7,700千円、間接経費: 2,310千円); 2021年度: 10,920千円 (直接経費: 8,400千円、間接経費: 2,520千円); 2020年度: 12,480千円 (直接経費: 9,600千円、間接経費: 2,880千円)
• キーワード: 生殖細胞分化 / 配偶子形成 / 転写因子 / 花粉 / ゼニゴケ / 陸上植物 / 進化

研究開始時の研究の概要

コケ植物と被子植物のモデルを比較解析することで，陸上植物で進化的に保存された配偶子の分化運命決定メカニズムを明らかにする．シロイヌナズナの分子遺伝学解析とベンサミアナタバコ花粉での１細胞レベルでの解析技術を駆使し，花粉における精細胞形成のメカニズムを解明する．運命決定に関わる転写因子の共発現誘導により，体細胞からの花粉配偶子系列細胞のin vitroでの分化誘導系の構築を試み，植物配偶子形成システムのリモデリングを目指す．

研究実績の概要

本研究では、陸上植物において進化的に保存されたbHLH転写因子BONOBO (BNB)の作用機序解明を通じて、花粉における精細胞形成の分子機構と、植物生殖細胞の分化機構の進化的保存性を明らかにするとともに、BNB発現の人為的操作により、配偶子系列細胞の分化誘導系の構築を目指す。
本年度は、BNBと相互作用する進化的に保存されたbHLH転写因子LRL/DROPについて、より詳しい解析を実施した。これまで、シロイヌナズナLRL/DROPは花粉の精細胞形成に必要であることが示されていたが、詳細な作用機序は不明であった。我々は、シロイヌナズナ転写因子の網羅的スクリーニングにより、LRL/DROPがBNBと相互作用するほぼ唯一の転写因子であることを見出した。シロイヌナズナLRL/DROPはBNBと同様に雄原細胞分化に必要であることを示した。ゼニゴケMpLRLはこれまで仮根形成に必要であることが知られていたが、本研究により配偶子器始原細胞の分化と生殖器托発生に必要であることが示された。本研究は、BNB-LRL/DROPが陸上植物において進化的に保存されたヘテロ二量体であり、配偶体から生殖系列細胞を分化させる主要制御因子であることを示したものである。
BNB-LRL/DROPの標的遺伝子の探索・同定のため、標的シス配列を網羅的に調べる解析系を開発した。これを用いた解析の結果、昨年度までに得た標的遺伝子候補の多くをこの解析系においても検出することができた。標的候補遺伝子の中には、カロースなど細胞壁構成成分の代謝酵素が含まれていた。カロース代謝酵素のゲノム編集株は、花粉において異常なカロース蓄積と雄原細胞の取り込み不全を示した。ベンサミアナタバコにおいて複数のBNBオルソログを見出し、その多重変異株は雄原細胞分化に異常を示すことを明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] A non-canonical BZR/BES transcription factor regulates the development of haploid reproductive organs in Marchantia polymorpha (2024)
  • 著者名/発表者名: Furuya Tomoyuki、Saegusa Natsumi、Yamaoka Shohei、Tomoita Yuki、Minamino Naoki、Niwa Masaki、Inoue Keisuke、Yamamoto Chiaki、Motomura Kazuki、Shimadzu Shunji、Nishihama Ryuichi、Ishizaki Kimitsune、Ueda Takashi、Fukaki Hidehiro、Kohchi Takayuki、Fukuda Hiroo、Kasahara Masahiro、Araki Takashi、Kondo Yuki
  • 雑誌名: Nature Plants 巻: － 号: 5 ページ: 785-797
  • DOI: 10.1038/s41477-024-01669-0
  • 査読あり
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: Kajiwara Tomoaki、Miyazaki Motoki、Yamaoka Shohei、Yoshitake Yoshihiro、Yasui Yukiko、Nishihama Ryuichi、Kohchi Takayuki
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 65 号: 3 ページ: 338-349
  • DOI: 10.1093/pcp/pcad170
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Conserved CKI1-mediated signaling is required for female germline specification in Marchantia polymorpha (2024)
  • 著者名/発表者名: Bao Haonan、Sun Rui、Iwano Megumi、Yoshitake Yoshihiro、Aki Shiori S.、Umeda Masaaki、Nishihama Ryuichi、Yamaoka Shohei、Kohchi Takayuki
  • 雑誌名: Current Biology 巻: 34 号: 6 ページ: 1324-1332
  • DOI: 10.1016/j.cub.2024.01.013
  • 査読あり
• [雑誌論文] A bHLH heterodimer regulates germ cell differentiation in land plant gametophytes (2023)
  • 著者名/発表者名: Saito Misaki、Momiki Ryosuke、Ebine Kazuo、Yoshitake Yoshihiro、Nishihama Ryuichi、Miyakawa Takuya、Nakano Takeshi、Mitsuda Nobutaka、Araki Takashi、Kohchi Takayuki、Yamaoka Shohei
  • 雑誌名: Current Biology 巻: 33 号: 22 ページ: 4980-4987.e6
  • DOI: 10.1016/j.cub.2023.09.020
  • 査読あり
• [雑誌論文] 植物細胞の分化運命の制御と可塑性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 丸山 大輔、水多 陽子、山岡 尚平
  • 雑誌名: 植物科学の最前線 巻: 14 号: A ページ: 1-2
  • DOI: 10.24480/bsj-review.14a1.00236
  • ISSN: 2432-9819
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 花粉とコケ植物配偶体の発生における配偶子前駆細胞の分化 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山岡 尚平
  • 雑誌名: 植物科学の最前線 巻: 14 号: A ページ: 10-20
  • DOI: 10.24480/bsj-review.14a3.00238
  • ISSN: 2432-9819
  • 査読あり
• [雑誌論文] Possible molecular mechanisms of persistent pollen tube growth without de novo transcription (2022)
  • 著者名/発表者名: Motomura Kazuki、Sugi Naoya、Takeda Atsushi、Yamaoka Shohei、Maruyama Daisuke
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 13 ページ: 1020306-1020306
  • DOI: 10.3389/fpls.2022.1020306
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 植物の配偶子形成のしなやかな仕組み (2022)
  • 著者名/発表者名: 山岡 尚平
  • 雑誌名: 月刊「細胞」 巻: 54 ページ: 44-48
• [雑誌論文] Regulation of gametangia and gametangiophore initiation in the liverwort Marchantia polymorpha (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamaoka Shohei、Inoue Keisuke、Araki Takashi
  • 雑誌名: Plant Reproduction 巻: 34 号: 4 ページ: 297-306
  • DOI: 10.1007/s00497-021-00419-y
  • 査読あり
• [雑誌論文] Identification of the sex-determining factor in the liverwort Marchantia polymorpha reveals unique evolution of sex chromosomes in a haploid system (2021)
  • 著者名/発表者名: Miyuki Iwasaki Katsuyuki T. Yamato John L. Bowman Takayuki Kohchi et al
  • 雑誌名: Current Biology 巻: 31 号: 24 ページ: 5522-5532.e7
  • DOI: 10.1016/j.cub.2021.10.023
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development and Molecular Genetics of Marchantia polymorpha. (2021)
  • 著者名/発表者名: Kohchi T, Yamato KY, Ishizaki K, Yamaoka S, Nishihama R.
  • 雑誌名: Annu. Rev. Plant Biol. 巻: 72 号: 1 ページ: 677-702
  • DOI: 10.1146/annurev-arplant-082520-094256
  • 査読あり
• [学会発表] An evolutionarily conserved bHLH heterodimer for germ cell differentiation in the gametophyte of land plants (2023)
  • 著者名/発表者名: Shohei Yamaoka, Misaki Saito, Ryosuke Momiki, Kazuo Ebine, Yoshihiro Yoshitake, Ryuichi Nishihama, Takuya Miyakawa, Takeshi Nakano, Nobutaka Mitsuda, Takashi Araki, Takayuki Kohchi
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A bHLH heterodimer for germ cell differentiation from Arabidopsis and Marchantia haploid gametophytes (2023)
  • 著者名/発表者名: Shohei Yamaoka
  • 学会等名: Plant Biology Graduate Group Seminar, University of California, Davis
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Evolutionarily Conserved CKI1-mediated Two-component Signaling Regulates Female Germline Specification in Marchantia polymorpha (2023)
  • 著者名/発表者名: Haonan Bao, Rui Sun, Megumi Iwano, Yoshihiro Yoshitake, Shiori Aki, Masaaki Umeda, Ryuichi Nishihama, Shohei Yamaoka, Takayuki Kohchi
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 花粉発生過程のライブイメージングと分裂誘導による雄原細胞の分化機構の解明 (2023)
  • 著者名/発表者名: 永原史織，丸山大輔，山岡尚平，水多陽子
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 孔辺細胞とミロシン細胞の分化におけるFAMA-WASABI MAKER 転写ネットワーク (2023)
  • 著者名/発表者名: 中西辰慶，白川一，小黒友輝，菅野茂夫，山岡尚平，相良真由，谷田舞，須沼京子，石見拓也， 堀内恵大，熊石妃恵，吉田颯馬，渡邉むつみ，峠隆之，鈴木考征，市橋泰範，武宮淳史，山口暢俊， 河内孝之，伊藤寿朗
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 保存されたFAMA-WSB モジュールの転用によるアブラナ目生体防御系の進化 (2023)
  • 著者名/発表者名: 白川一，小黒友輝，菅野茂夫，山岡尚平，相良真由，谷田舞，松本紘弥，熊石妃恵，吉田颯馬， 渡邉むつみ，峠隆之，鈴木孝征，市橋泰範，武宮淳史，山口暢俊，河内孝之，伊藤寿朗
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 核が除去された花粉管が持つ伸長制御能力とその分子機構の解明に向けて (2023)
  • 著者名/発表者名: 元村一基，杉直也，竹田篤史，山岡尚平，丸山大輔
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] MpBZR3はゼニゴケの配偶子器発生を制御する (2023)
  • 著者名/発表者名: 古谷朋之，三枝菜摘，山岡尚平，山本千愛，島津舜治，南野尚紀，西浜竜一，石崎公庸，上田貴志， 深城英弘，河内孝之，笠原賢洋，福田裕穂，荒木崇，近藤侑貴
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] A bHLH heterocomplex regulates gamete progenitor differentiation in Arabidopsis and Marchantia (2022)
  • 著者名/発表者名: Shohei Yamaoka, Misaki Saito, Ryosuke Momiki, Yoshihiro Yoshitake, Ryuichi Nishihama, Kazuo Ebine, Takashi Ueda, Nobutaka Mitsuda, Takashi Araki, Takayuki Kohchi
  • 学会等名: EMBO workshop 2022 - An integrated view of early land plant evolution
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] コケ配偶体と花粉における生殖細胞分化の理解と制御に向けて (2022)
  • 著者名/発表者名: 山岡 尚平，海老根 一生，齊藤 美咲，樅木 亮介，吉竹 良洋，上田 貴志，光田 展隆， 西浜 竜一，荒木 崇，河内 孝之
  • 学会等名: 日本植物学会第86回大会
  • 招待講演
• [学会発表] ゼニゴケの生活環において多面的に機能する転写因子MpLRLの発現解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 樅木 亮介，齊藤 美咲，吉竹 良洋，井上 佳祐，河内 孝之，荒木 崇，山岡 尚平
  • 学会等名: 日本植物学会第86回大会
• [学会発表] ゼニゴケの生活環におけるMpMS1の機能解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 三枝 菜摘，國本 完，肥後 あすか，神原 泉，冨田 由妃，井上 佳祐，山岡 尚平，荒木 崇
  • 学会等名: 日本植物学会第86回大会
• [学会発表] ゼニゴケ配偶子器の発生 におけるMpBZR3の役割 (2022)
  • 著者名/発表者名: 古谷 朋之，三枝 菜摘，山岡 尚平，島津 舜治，山本 千愛，石崎 公庸，西浜 竜一，河内 孝之，福田 裕穂，笠原 賢洋，荒木 崇，近藤 侑貴
  • 学会等名: 日本植物学会第86回大会
• [学会発表] アンチセンス長鎖非翻訳 RNA SUFの転写は苔類ゼニゴケ雌性化遺伝子 FGMYBの発現抑制に重要である (2022)
  • 著者名/発表者名: 梶原 智明，宮崎 基，岩崎 美雪，山岡 尚平，吉竹 良洋， 安居 佑季子，西浜 竜一，河内 孝之
  • 学会等名: 日本植物学会第86回大会
• [学会発表] 陸上植物の生殖細胞分化に必要なbHLH転写因子複合体の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山岡 尚平、齊藤 美咲、樅木 亮介、吉竹 良洋、光田 展隆、海老根 一生、西浜 竜一、荒木 崇、河内 孝之
  • 学会等名: 日本農芸化学会2022年度京都大会
• [学会発表] シロイヌナズナ花粉管は先端から核を排除した状態でも伸長制御能力を保持している (2022)
  • 著者名/発表者名: 元村 一基，杉 直也，松本 歩，武内 秀憲，野田口 理孝，東山 哲也，木下 哲，山岡 尚平，竹田 篤史，丸山 大輔
  • 学会等名: 第63回日本植物生理学会年会
• [学会発表] ゼニゴケにおけるジベレリンに関連したメチル基転移酵素機能に影響する新規変異体選抜 (2022)
  • 著者名/発表者名: 下川 瑛太，川村 昇吾，Rui Sun，鈴木 かおり，吉竹 良洋，安居 佑季子，西浜 竜一，山岡 尚平，増口 潔，山口 信次郎，河内 孝之
  • 学会等名: 第63回日本植物生理学会年会
• [学会発表] ゼニゴケの配偶子器発生制御におけるMpBZR3の機能解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 古谷 朋之，山岡 尚平，石崎 公庸，西浜 竜一，荒木 崇，河内 孝之，福田 裕穂，近藤 侑貴
  • 学会等名: 第63回日本植物生理学会年会
• [学会発表] ゼニゴケ配偶子器の発生を制御する非典型BZR転写因子 (2021)
  • 著者名/発表者名: 古谷朋之，山岡尚平，石崎公庸，西浜竜一，荒木崇，河内孝之，福田裕穂，近藤侑貴
  • 学会等名: 日本植物学会第85回大会
• [学会発表] 苔類ゼニゴケの成長相転換制御における日長認識機構の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 金坂侑紀，井上佳祐，山岡尚平，荒木崇
  • 学会等名: 日本植物学会第85回大会
• [学会発表] ゼニゴケから花粉の雄性配偶子形成のメカニズムを知る (2021)
  • 著者名/発表者名: 山岡 尚平
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会・関連集会「植物生殖改変ワークショップ」
• [学会発表] シロイヌナズナの雄原細胞の取り込みに関わるGH17メンバーの解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 海老根 一生，山岡 尚平，上田 貴志
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 苔類ゼニゴケにおけるジベレリンを介した生殖器官形成のフィードバック制御 (2021)
  • 著者名/発表者名: 川村 昇吾， Rui Sun，吉竹 良洋，楠 龍之介，西浜 竜一，山岡 尚平，河内 孝之
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会
• [学会発表] ゼニゴケの精子形成における精細胞特異的ヒストンH1バリアントの役割 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小谷 莞太，西田 瑠理，肥後 あすか，山岡 尚平，井上 佳祐，荒木 崇
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 苔類ゼニゴケの遠赤色光・日長依存的な成長相転換の分子機構の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 金坂 侑紀，井上 佳祐，山岡 尚平，荒木 崇
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会
• [図書] 中村 千春・岡田 清孝 監訳 エッセンシャル遺伝学・ゲノム学 第７版 「１１章 発生の遺伝的制御」 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大澤 志津江、山岡 尚平
  • 総ページ数: 560
  • 出版者: 化学同人
  • ISBN: 9784759820485
• [備考] 植物の生殖細胞をつくる2つの遺伝子―5億年前に誕生したヘテロ二量体―
  • URL: https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2023-10-19-1
• [備考] 植物の有性生殖システムの進化の痕跡を示す鍵因子の発見
  • URL: https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2024-04-15-2
• [備考] 「植物生殖改変」領域ホームページ
  • URL: https://www.remod-reprod.com/