植物ホルモン非要求性脱分化の分子機構と内生植物ホルモンの役割

• 研究課題/領域番号: 16K07398
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 植物分子・生理科学
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 西浜 竜一 京都大学, 生命科学研究科, 准教授 (70283455)
• 研究協力者: 石田 咲子 ; 鈴木 秀政 ; 灰庭 瑛実 ; 山岡 尚平 ; 重信 秀治 ; 榊原 均 ; 河内 孝之
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円); 2018年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2017年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円); 2016年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
• キーワード: リプログラミング / 再生 / オーキシン / サイトカイニン / 苔類ゼニゴケ / コケ植物 / ゼニゴケ / 幹細胞新生 / 脱分化 / RNA-seq / ホルモン定量 / 細胞周期再開 / 植物 / 発生・分化 / 進化 / 遺伝子 / シグナル伝達

研究成果の概要

ゼニゴケ葉状体を切断すると、植物ホルモンフリー培地で効率よく葉状体が再生する。切断数時間後に内生オーキシン量の一過的な低下がみられたこと、またオーキシン含有培地では再生芽形成が抑制されたことから、オーキシンレベルの低下が細胞リプログラミングの引き金となることが示唆された。またオーキシン、サイトカイニン生合成遺伝子、およびある転写因子遺伝子の発現が、オーキシンレベル低下依存的に上昇することを見出した。この転写因子を強制発現させると、オーキシン含有培地でも再生芽が形成された。本研究により、内生植物ホルモンレベル変動とリプログラミングの関係、またその制御に関わる鍵因子を明らかにすることができた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

植物は挿し木で増やせることや、単離した1細胞から個体を再生できることから、分化全能性があると古くから知られている。傷害が引き金となって分化全能性が発揮されることはわかっているものの、その分子的な仕組みについての詳細はあまりわかっていなかった。本研究ではコケ植物のゼニゴケを用いて、葉状体切断後に起こる植物ホルモン・オーキシンの内生レベルの一時的な低下が、分化全能性を発揮するための遺伝子発現変化（リプログラミング）を引き起こすことを示唆する結果が得られた。この成果は、この分野に新たな概念をもたらすと考えられる。

研究成果

• [国際共同研究] Wageningen University(オランダ)
• [国際共同研究] University of Bristol(英国)
• [国際共同研究] Universidad Veracruzana, INBIOTECA(メキシコ)
• [雑誌論文] Control of proliferation in the haploid meristem by CLE peptide signaling in Marchantia polymorpha. (2019)
  • 著者名/発表者名: Hirakawa Y, Uchida N, Yamaguchi YL, Tabata R, Ishida S, Ishizaki K, Nishihama R, Kohchi T, Sawa S, Bowman JL
  • 雑誌名: PLoS Genet. 巻: 7 号: 3 ページ: e1007997-e1007997
  • DOI: 10.1371/journal.pgen.1007997
  • NAID: 120006621164
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Physiological function of photoreceptor UVR8 in UV-B tolerance in the liverwort Marchantia polymorpha (2019)
  • 著者名/発表者名: Kondou Youichi、Miyagi Yuta、Morito Takeshi、Fujihira Kenta、Miyauchi Wataru、Moriyama Asami、Terasawa Takuya、Ishida Sakiko、Iwabuchi Kosei、Kubo Hiroyoshi、Nishihama Ryuichi、Ishizaki Kimitsune、Kohchi Takayuki
  • 雑誌名: Planta 巻: 249 号: 5 ページ: 1349-1364
  • DOI: 10.1007/s00425-019-03090-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Reproductive Induction is a Far-Red High Irradiance Response that is Mediated by Phytochrome and PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR in Marchantia polymorpha (2019)
  • 著者名/発表者名: Inoue K, Nishihama R, Araki T, Kohchi T
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: pcz029 号: 5 ページ: 1136-1145
  • DOI: 10.1093/pcp/pcz029
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of Phototropic Responses in the Liverwort Marchantia polymorpha (2019)
  • 著者名/発表者名: Komatsu A, Nishihama R, Kohchi T
  • 雑誌名: Methods in Molecular Biology 巻: 1924 ページ: 53-61
  • DOI: 10.1007/978-1-4939-9015-3_6
  • ISBN: 9781493990146, 9781493990153
  • 査読あり
• [雑誌論文] A cis-acting bidirectional transcription switch controls sexual dimorphism in the liverwort. (2019)
  • 著者名/発表者名: Hisanaga T, Okahashi K, Yamaoka S, Kajiwara T, Nishihama R, Shimamura M, Yamato KT, Bowman JL, Kohchi T, Nakajima K.
  • 雑誌名: EMBO J. 巻: 38 号: 6
  • DOI: 10.15252/embj.2018100240
  • NAID: 120006547401
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A Single JAZ Repressor Controls the Jasmonate Pathway in Marchantia polymorpha (2019)
  • 著者名/発表者名: Monte I, Franco-Zorrilla JM, Garcia-Casado G, Zamarreno AM, Garcia-Mina JM, Nishihama R, Kohchi T, Solano R
  • 雑誌名: Molecular Plant 巻: 12 号: 2 ページ: 185-198
  • DOI: 10.1016/j.molp.2018.12.017
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Transcription factor DUO1 generated by neo-functionalization is associated with evolution of sperm differentiation in plants (2018)
  • 著者名/発表者名: Higo, A., Kawashima, T., Borg, M., Zhao, M., Lopez-Vidriero, I., Sakayama, H., et al. (他18名)
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 9 号: 1 ページ: 5283-5283
  • DOI: 10.1038/s41467-018-07728-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] An Evolutionarily Conserved Abscisic Acid Signaling Pathway Regulates Dormancy in the Liverwort Marchantia polymorpha (2018)
  • 著者名/発表者名: Eklund D. Magnus、Kanei Masakazu、Flores-Sandoval Eduardo、Ishizaki Kimitsune、Nishihama Ryuichi、Kohchi Takayuki、Lagercrantz Ulf、Bhalerao Rishikesh P.、Sakata Yoichi、Bowman John L.
  • 雑誌名: Current Biology 巻: 28 号: 22 ページ: 3691-3699
  • DOI: 10.1016/j.cub.2018.10.018
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Efficient CRISPR/Cas9-based genome editing and its application to conditional genetic analysis in Marchantia polymorpha (2018)
  • 著者名/発表者名: Sugano Shigeo S.、Nishihama Ryuichi、Shirakawa Makoto、Takagi Junpei、Matsuda Yoriko、Ishida Sakiko、Shimada Tomoo、Hara-Nishimura Ikuko、Osakabe Keishi、Kohchi Takayuki
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 13 号: 10 ページ: 0205117-0205117
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0205117
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Novel gateway binary vectors for rapid tripartite DNA assembly and promoter analysis with various reporters and tags in the liverwort Marchantia polymorpha. (2018)
  • 著者名/発表者名: Mano, S., Nishihama, R., Ishida, S., Hikino, K., Kondo, M., Nishimura, M., Yamato, T.K., Kohchi, K., and Nakagawa, T.
  • 雑誌名: PLOS ONE 巻: 3 号: 10 ページ: e0204964-e0204964
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0204964
  • NAID: 120006534596
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] ANGUSTIFOLIA contributes to the regulation of three-dimensional morphogenesis in the liverwort Marchantia polymorpha (2018)
  • 著者名/発表者名: Furuya T, Hattori K, Kimori Y, Ishida S, Nishihama R, Kohchi T, Tsukaya H
  • 雑誌名: Development 巻: 145 号: 18
  • DOI: 10.1242/dev.161398
  • 査読あり
• [雑誌論文] Loss of CG Methylation in Marchantia polymorpha Causes Disorganization of Cell Division and Reveals Unique DNA Methylation Regulatory Mechanisms of Non-CG Methylation. (2018)
  • 著者名/発表者名: Ikeda Y, Nishihama R, Yamaoka S, Arteaga-Vazquez MA, Aguilar-Cruz A, Grimanelli D, Pogorelcnik R, Martienssen RA, Yamato KT, Kohchi T, Hirayama T, Mathieu O.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 巻: 12 ページ: 2421-2431
  • DOI: 10.1093/pcp/pcy161
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Identification and Biochemical Characterization of the Serine Biosynthetic Enzyme 3-Phosphoglycerate Dehydrogenase in Marchantia polymorpha (2018)
  • 著者名/発表者名: Akashi H, Okamura E, Nishihama R, Kohchi T, Hirai MY
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 9 ページ: 956-956
  • DOI: 10.3389/fpls.2018.00956
  • NAID: 120006554787
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] CRISPR/Cas9-Based Genome Editing of Transcription Factor Genes in Marchantia polymorpha (2018)
  • 著者名/発表者名: Sugano Shigeo S.、Nishihama Ryuichi
  • 雑誌名: Methods in Molecular Biology 巻: 1830 ページ: 109-126
  • DOI: 10.1007/978-1-4939-8657-6_7
  • ISBN: 9781493986569, 9781493986576
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ligand-receptor co-evolution shaped the jasmonate pathway in land plants (2018)
  • 著者名/発表者名: Monte Isabel、Ishida Sakiko、Zamarreno Angel M.、Hamberg Mats、Franco-Zorrilla Jose M.、Garcia-Casado Gloria、Gouhier-Darimont Caroline、Reymond Philippe、Takahashi Kosaku、Garcia-Mina Jose M.、Nishihama Ryuichi、Kohchi Takayuki、Solano Roberto
  • 雑誌名: Nature Chemical Biology 巻: 14 号: 5 ページ: 480-488
  • DOI: 10.1038/s41589-018-0033-4
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 新しいモデル生物：苔類ゼニゴケ (2018)
  • 著者名/発表者名: 西浜竜一，河内孝之
  • 雑誌名: 領域融合レビュー 巻: 7 ページ: e008
  • DOI: 10.7875/leading.author.7.e008
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Generative Cell Specification Requires Transcription Factors Evolutionarily Conserved in Land Plants (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamaoka, S., Nishihama, R., Yoshitake, Y., Ishida, S., Inoue, K., Saito, M., Okahashi, K., Bao, H., Nishida, H., Yamaguchi, K., Shigenobu, S., Ishizaki, K., Yamato, K.T., and Kohchi, T.
  • 雑誌名: Current Biology 巻: 28 号: 3 ページ: 479-486
  • DOI: 10.1016/j.cub.2017.12.053
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Insights into Land Plant Evolution Garnered from the Marchantia polymorpha Genome. (2017)
  • 著者名/発表者名: Bowman J, Kouchi T,..(106名）..Yokoyama R, ..(4名)
  • 雑誌名: Cell 巻: 171 号: 2 ページ: 287-304
  • DOI: 10.1016/j.cell.2017.09.030
  • NAID: 120006353839
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Evolution of nuclear auxin signaling: lessons from genetic studies with basal land plants (2017)
  • 著者名/発表者名: Kato, H., Nishihama, R., Weijers, D., and Kohchi, T.
  • 雑誌名: Journal of Experimental Botany 巻: 69 号: 2 ページ: 291-301
  • DOI: 10.1093/jxb/erx267
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The Roles of the Sole Activator-Type Auxin Response Factor in Pattern Formation of Marchantia polymorpha (2017)
  • 著者名/発表者名: Kato, H., Kouno, M., Takeda, M., Suzuki, H., Ishizaki, K., Nishihama, R., and Kohchi, T.
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 58 号: 10 ページ: 1642-1651
  • DOI: 10.1093/pcp/pcx095
  • 査読あり
• [雑誌論文] Evolutionary origin of phytochrome responses and signaling in land plants (2017)
  • 著者名/発表者名: Inoue, K., Nishihama, R., and Kohchi, T.
  • 雑誌名: Plant Cell Environ. 巻: 印刷中 号: 11 ページ: 2502-2508
  • DOI: 10.1111/pce.12908
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phytochrome signaling is mediated by PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR in the liverwort Marchantia polymorpha (2016)
  • 著者名/発表者名: Inoue, K., Nishihama, R., Kataoka, H., Hosaka, M., Manabe, R., Nomoto, M., Tada, Y., Ishizaki, K., and Kohchi, T.
  • 雑誌名: Plant Cell 巻: 28 号: 6 ページ: 1406-1421
  • DOI: 10.1105/tpc.15.01063
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Auxin regulation of meristem formation and maintenance in Marchantia polymorpha (2019)
  • 著者名/発表者名: Nishihama R
  • 学会等名: Mini Symposium on Marchantia
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Connections between apical cell function and auxin response in the liverwort Marchantia polymorpha (2018)
  • 著者名/発表者名: Nishihama R, Kohchi T
  • 学会等名: JPR International Symposium "Apical stem cell(s): evolutionary basis for 3D body plans in land plants"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Cellular reprogramming as a response to the loss of apical dominance in the liverwort Marchantia polymorpha (2018)
  • 著者名/発表者名: Ishida S, Kojima M, Takebayashi Y, Sakakibara H, Yamaguchi K, Shigenobu S, Yamaoka S, Kohchi T, Nishihama R
  • 学会等名: EMBO Workshop New shores in land plant evolution
  • 国際学会
• [学会発表] Tissue regeneration is associated with temporal changes in the levels of auxin and gene expression in Marchantia polymorpha (2017)
  • 著者名/発表者名: Sakiko Ishida, Shohei Yamaoka, Mikiko Kojima, Yumiko Takebayashi, Hitoshi Sakakibara, Katsushi Yamaguchi, Shuji Shigenobu, Takayuki Kohchi and Ryuichi Nishihama
  • 学会等名: The 65th NIBB Conference Renaissance of Marchantia polymorpha ‐the genome and beyond‐
  • 国際学会
• [学会発表] Primary target for the photoregulation of cell cycle progression is cyclin D gene expression in the liverwort Marchantia polymorpha (2017)
  • 著者名/発表者名: Keita Kinose, Ryo Manabe, Eri Nakamura, Takayuki Kohchi, Ryuichi Nishihama
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2017
  • 国際学会
• [学会発表] 核オーキシンシグナリングによるゼニゴケ幹細胞機能調節 (2017)
  • 著者名/発表者名: 鈴木秀政，加藤大貴，片山みなみ，灰庭瑛実，山岡尚平，西浜竜一，河内孝之
  • 学会等名: 日本植物学会第81回大会
• [学会発表] 植物再生における極性と細胞周期制御 (2016)
  • 著者名/発表者名: 西浜竜一
  • 学会等名: 基生研研究会「細胞分化を誘導する細胞周期制御システム」
  • 発表場所: 基礎生物学研究所（愛知・岡崎）
  • 年月日: 2016-11-21
  • 招待講演
• [学会発表] Phytohormonal regulation of tissue dedifferentiation and cell-cycle re-entry during regeneration in the liverwort Marchantia polymorpha (2016)
  • 著者名/発表者名: Sakiko Ishida, Shohei Yamaoka, Ryuichi Nishihama, Takayuki Kohchi
  • 学会等名: Auxin 2016
  • 発表場所: Haitang Bay, Sanya (People's Republic of China)
  • 年月日: 2016-10-21
  • 国際学会
• [図書] 京大発！ フロンティア生命科学 (2018)
  • 著者名/発表者名: 京都大学大学院生命科学研究科
  • 総ページ数: 336
  • 出版者: 講談社
  • ISBN: 9784065038017