ムギ類卵細胞の人為活性化とRNP-CRISPRによるゲノム編集半数体植物の創出

• 研究課題/領域番号: 18K19211
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分39:生産環境農学およびその関連分野
• 研究機関: 三重大学
• 研究代表者: 掛田 克行 三重大学, 生物資源学研究科, 教授 (50221867)
• 研究分担者: 岡本 龍史 東京都立大学, 理学研究科, 教授 (50285095)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円); 2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2019年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2018年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
• キーワード: ゲノム編集 / in vitro受精 / Triticeae / 半数体

研究成果の概要

コムギ卵細胞とトウモロコシ精細胞を単離し、電気融合法を用いたin vitro受精により、コムギ－トウモロコシ交雑受精卵を作成した。この交雑受精卵由来のカルス培養から再分化した植物体が得られ、形態観察、フローサイトメトリーおよびゲノムシーケンスの解析から、コムギ半数体であることが示された。本研究より、当該in vitro交雑受精卵の発生・再生過程において、in planta交配の場合と同様に、トウモロコシ精細胞ゲノムが選択的に脱落し、コムギ卵細胞ゲノムを有する半数体が生じることが実証された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

コムギおよびトウモロコシから単離した雌雄配偶子のin vitro交雑受精卵からコムギ半数体が獲得されたのは世界で初めての成果であり、この実証には挑戦的研究として大きな意義がある。今後、本研究をさらに発展させ、ムギ類の単離卵細胞および受精卵への物質導入系技術の革新を進めることで、形質転換を伴わないDNAフリーゲノム編集体の獲得が可能となり、ゲノム編集を組み入れたムギ類の新たな半数体育種法の開発につながることが期待される。

研究成果

• [雑誌論文] A novel mutant allele at the Cleistogamy 1 locus in barley (2021)
  • 著者名/発表者名: Wang Ning、Kakeda Katsuyuki、Tomokazu Masahiro、Liu Cheng、Yoshida Megumi、Kawada Naoyuki、Komatsuda Takao
  • 雑誌名: Theoretical and Applied Genetics 巻: 134 号: 10 ページ: 3183-3193
  • DOI: 10.1007/s00122-021-03884-1
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Development and regeneration of wheat-rice hybrid zygotes produced by in vitro fertilization system (2021)
  • 著者名/発表者名: Maryenti Tety、Ishii Takayoshi、Okamoto Takashi
  • 雑誌名: New Phytologist 巻: 232 ページ: 2369-2383
  • 査読あり
• [雑誌論文] Regulatory functions of ROS dynamics via glutathione metabolism and glutathione peroxidase activity in developing rice zygote (2021)
  • 著者名/発表者名: Rattanawong Kasidit、Koiso Narumi、Toda Erika、Kinoshita Atsuko、Tanaka Mari、Tsuji Hiroyuki、Okamoto Takashi
  • 雑誌名: The Plant Journal 巻: 108 号: 4 ページ: 1097-1115
  • DOI: 10.1111/tpj.15497
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Dynamics of mitochondrial distribution during development and asymmetric division of rice zygotes (2021)
  • 著者名/発表者名: Aini Hanifah、Sato Yoshikatsu、Uno Kakishi、Higashiyama Tetsuya、Okamoto Takashi
  • 雑誌名: Plant Reproduction 巻: 35 号: 1 ページ: 47-60
  • DOI: 10.1007/s00497-021-00430-3
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of Paternal Genome Excess on the Developmental and Gene Expression Profiles of Polyspermic Zygotes in Rice (2021)
  • 著者名/発表者名: Deushi Ryouya、Toda Erika、Koshimizu Shizuka、Yano Kentaro、Okamoto Takashi
  • 雑誌名: Plants 巻: 10 号: 2 ページ: 255-255
  • DOI: 10.3390/plants10020255
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] In vitro fertilization system using wheat gametes by electric fusion. (2021)
  • 著者名/発表者名: Maryenti T., Kato N., Ichikawa M., Okamoto T.
  • 雑誌名: Methods in Mol Biol. 巻: －
  • 査読あり
• [雑誌論文] CRISPR/Cas9‐Based Genome Editing Using Rice Zygotes (2020)
  • 著者名/発表者名: Toda Erika、Okamoto Takashi
  • 雑誌名: Current Protocols in Plant Biology 巻: 5 号: 2
  • DOI: 10.1002/cppb.20111
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Gene Expression and Genome Editing Systems by Direct Delivery of Macromolecules Into Rice Egg Cells and Zygotes (2020)
  • 著者名/発表者名: Toda Erika、Okamoto Takashi
  • 雑誌名: BIO-PROTOCOL 巻: 10 号: 14
  • DOI: 10.21769/bioprotoc.3681
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Polyspermy in angiosperms: Its contribution to polyploid formation and speciation (2020)
  • 著者名/発表者名: Toda Erika、Okamoto Takashi
  • 雑誌名: Molecular Reproduction and Development 巻: 87 号: 3 ページ: 374-379
  • DOI: 10.1002/mrd.23295
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] In Vitro Production of Zygotes by Electrofusion of Rice Gametes (2020)
  • 著者名/発表者名: Rahman Md Hassanur、Toda Erika、Okamoto Takashi
  • 雑誌名: Methods Mol. Biol. 巻: 2122 ページ: 257-267
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-0342-0_18
  • ISBN: 9781071603413, 9781071603420
  • 査読あり
• [雑誌論文] 植物受精卵を用いたゲノム編集 (2020)
  • 著者名/発表者名: 岡本 龍史、戸田絵梨香、加藤 紀夫
  • 雑誌名: 植物の化学調節 巻: -
  • NAID: 130008060503
• [雑誌論文] イネ受精卵への一過的導入法 (2020)
  • 著者名/発表者名: 加藤 紀夫、戸田絵梨香、岡本 龍史
  • 雑誌名: 進化するゲノム編集 巻: Ⅱ
• [雑誌論文] イネ受精卵発生過程における雌雄配偶子の機能差および父性アリル依存的遺伝子発現による受精卵の発生誘導 (2019)
  • 著者名/発表者名: 戸田絵梨香、岡本 龍史
  • 雑誌名: アグリバイオ 巻: 4月号 ページ: 73-78
  • NAID: 40021921244
• [雑誌論文] DNA demethylation by ROS1a in rice vegetative cells promotes methylation in sperm (2019)
  • 著者名/発表者名: Kim M. Yvonne、Ono Akemi、Scholten Stefan、Kinoshita Tetsu、Zilberman Daniel、Okamoto Takashi、Fischer Robert L.
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 印刷中 号: 19 ページ: 9652-9657
  • DOI: 10.1073/pnas.1821435116
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Establishment of an In Vitro Fertilization System in Wheat (Triticum aestivum L.) (2019)
  • 著者名/発表者名: Maryenti Tety、Kato Norio、Ichikawa Masako、Okamoto Takashi
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 60 号: 4 ページ: 835-843
  • DOI: 10.1093/pcp/pcy250
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Sperm entry into the egg cell induces the progression of karyogamy in rice zygotes. (2019)
  • 著者名/発表者名: Ohnishi Y*, Kokubu I, Kinoshita T, Okamoto T.
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 印刷中 号: 8 ページ: 1656-1665
  • DOI: 10.1093/pcp/pcz077
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Expression of genes from paternal alleles in rice zygotes and involvement of OsASGR-BBML1 in initiation of zygotic development (2019)
  • 著者名/発表者名: Rahman, H., Toda, E., Kobayashi, M., Kudo, T., Koshimizu, S., Takahara, M., Iwami, M., Watanabe, Y., Sekimoto, H., Yano, K., Okamoto, T.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 巻: 60 号: 4 ページ: 725-737
  • DOI: 10.1093/pcp/pcz030
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] An efficient DNA- and selectable-marker-free genome-editing system using zygotes in rice (2019)
  • 著者名/発表者名: Toda Erika、Koiso Narumi、Takebayashi Arika、Ichikawa Masako、Kiba Takatoshi、Osakabe Keishi、Osakabe Yuriko、Sakakibara Hitoshi、Kato Norio、Okamoto Takashi
  • 雑誌名: Nature Plants 巻: 5 号: 4 ページ: 363-368
  • DOI: 10.1038/s41477-019-0386-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effects of an imbalanced parental genome ratio on development of rice zygotes. (2018)
  • 著者名/発表者名: Toda E, Ohnishi Y, Okamoto T.
  • 雑誌名: Journal of Experimental Botany 巻: 印刷中 号: 10 ページ: 2609-2619
  • DOI: 10.1093/jxb/ery094
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Pleiotropic effects of mutation at the miR172 target site in the wheat orthologs of Cly1 (2022)
  • 著者名/発表者名: Agetha Nanape, Katsuyuki Kakeda
  • 学会等名: 日本育種学会 第141回講演会
• [学会発表] Developmental profiles of inter-subfamily polyploid zygotes produced by the fusion of wheat and rice gametes (2022)
  • 著者名/発表者名: Maryenti T., Ishii T., Okamoto T.
  • 学会等名: 日本育種学会 第141回講演会
• [学会発表] オオムギ開花性変異遺伝子cly1.b4の遺伝解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 掛田 克行, 櫛部 七海, Agetha Nanape
  • 学会等名: 日本育種学会 第140回講演会
• [学会発表] Characterization of floral/spike traits in the wheat AP2 mutants with reference to FHB resistance (2021)
  • 著者名/発表者名: A. Nanape, C. Nakashima, K. Kakeda
  • 学会等名: 第16回ムギ類研究会
• [学会発表] Dynamics of mitochondrial distribution during development and asymmetric division of rice zygotes (2021)
  • 著者名/発表者名: Aini H., Sato Y., Uno K., Higashiyama T., Okamoto T.
  • 学会等名: 日本植物学会 第85回大会
• [学会発表] キメラリプレッサーを用いたイネ卵細胞の分裂・発生を誘導する新規転写因子の探索 (2021)
  • 著者名/発表者名: 澤本陸、大島良美、貴嶋紗久、光田展隆、池田美穂、高崎寛則、高木優、戸田絵梨香、岡本龍史
  • 学会等名: 日本植物学会 第85回大会
• [学会発表] イネ受精卵発生を誘導するOsASGR-BBML1の標的遺伝子群の同定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 増尾心之介、大島良美、貴嶋紗久、光田展隆、池田美穂、高崎寛則、高木優、戸田絵梨香、木下温子、岡本龍史
  • 学会等名: 日本植物学会 第85回大会
• [学会発表] コムギ in vitro 受精系 : 異質倍数性受精卵の作出とその発生解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 岡本龍史
  • 学会等名: 麦学オンラインセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] An efficient DNA- and selectable-marker-free genome-editing system using zygotes in rice and its possible application to other crop species. (2021)
  • 著者名/発表者名: Toda E, Koiso N, Takebayashi A, Ichikawa M, Kiba T, Osakabe K, Osakabe Y, Sakakibara H, Kato N, Okamoto T.
  • 学会等名: Keystone Symposia “Plant Genome Engineering: From Lab to Field”
  • 国際学会
• [学会発表] Developmental profiles of inter-subfamily polyploid zygotes produced by the fusion of wheat and rice gametes (2021)
  • 著者名/発表者名: Maryenti Tety., Takayoshi Ishii., Okamoto T.
  • 学会等名: 日本植物生理学会
• [学会発表] Expression of Genes from Paternal Alleles in Rice Zygotes and Involvement of OsASGR-BBML1 in Initiation of Zygotic Development (2021)
  • 著者名/発表者名: ahman MH, Toda E., Kobayashi M., Kudo T., Koshimizu S., Takahara M., Iwami M, Watanabe Y., Sekimoto H., Yano K., Okamoto T.
  • 学会等名: 日本植物生理学会
• [学会発表] Evaluation of the effect of mutations in the wheat AP2 homoeologs on cleistogamous flowering using near-isogenic lines (2021)
  • 著者名/発表者名: A. Nanape, K. Kakeda
  • 学会等名: 日本育種学会
• [学会発表] Initiation of zygotic development and fertilization-independent egg division in rice. Symposium of Frontiers of research on embryo and endosperm development: Induction of artificial apomixis. (2020)
  • 著者名/発表者名: Okamoto T.
  • 学会等名: 日本植物生理学会
• [学会発表] ROS-level dynamics during development of zygote in rice (2020)
  • 著者名/発表者名: Rattanawong K., Koiso N., Okamoto T.
  • 学会等名: 日本植物生理学会
• [学会発表] Accumulation effects of mutations in the wheat AP2 homoeologs on cleistogamous flowering (2020)
  • 著者名/発表者名: Nanape A., Watanabe K., Haine H.M., Kakeda K.
  • 学会等名: 日本育種学会
• [学会発表] イネ受精卵を用いたDNAおよび選抜マーカーフリーなゲノム編集技術の確立 (2019)
  • 著者名/発表者名: 戸田絵梨香
  • 学会等名: プロジェクト横断型公開シンポジウム「植物のゲノム編集基盤技術開発の現状と展望」
• [学会発表] Establishment of an in vitro fertilization system in wheat (2019)
  • 著者名/発表者名: Maryenti T., Kato N., Ichikawa M., Okamoto T.
  • 学会等名: ムギ類研究会
• [学会発表] Accumulation effects of mutant alleles of AP2 homoeologs on cleistogamous flowering in hexaploid wheat (2019)
  • 著者名/発表者名: Nanape A., Watanabe K., Haine H., Kakeda K.
  • 学会等名: ムギ類研究会
• [学会発表] コムギ-トウモロコシ交雑受精卵の発生過程における片親ゲノムの選択的な脱落 (2019)
  • 著者名/発表者名: 古野真由子, Tety Maryenti, 掛田克行, 岡本龍史
  • 学会等名: 日本植物学会
• [学会発表] 被子植物の受精に伴う遺伝子発現およびpaternal/maternal mRNA degradation の最初の報告 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大西 由之佑，永田 博基，戸田 絵梨香，國分 巌，岡本 龍史，木下 哲
  • 学会等名: 日本植物学会
• [学会発表] 被子植物の受精に伴うカルシウム応答性遺伝子発現およびmRNA分解 (2019)
  • 著者名/発表者名: 永田 博基，大西 由之佑，戸田 絵梨香，國分 巌，岡本 龍史，木下 哲
  • 学会等名: 日本植物学会
• [学会発表] An efficient DNA- and selectable-marker-free genome-editing system using zygotes in rice (2019)
  • 著者名/発表者名: Toda E, Koiso N, Takebayashi A, Ichikawa M, Kiba T, Osakabe K, Osakabe Y, Sakakibara H, Kato N, Okamoto T.
  • 学会等名: Vienna International Science Conferences and Events Association, Plant Genome Editing & Genome Engineering
  • 国際学会
• [学会発表] Gene expression and genome editing systems in rice by direct delivery of macromolecules into egg cell and zygote (2019)
  • 著者名/発表者名: Toda E, Koiso N, Takebayashi A, Ichikawa M, Kiba T, Osakabe K, Osakabe Y, Sakakibara H, Kato N, Okamoto T.
  • 学会等名: EMBO Practical Course “Functional live imaging of plants”
  • 国際学会
• [学会発表] イネ受精卵を用いたDNAおよび選抜マーカーフリーなゲノム編集技術の確立と他作物種への応用. (2019)
  • 著者名/発表者名: 戸田絵梨香、古磯成美、Tety Maryenti、竹林有理佳、市川雅子、木羽隆敏、刑部敬史、刑部祐里子、榊原均、加藤紀夫、岡本龍史
  • 学会等名: 第60回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Establishment of an in vitro fertilization system in wheat (Triticum aestivum L.). (2019)
  • 著者名/発表者名: Maryenti, T., Kato, N., Ichikawa, M., Okamoto, T.
  • 学会等名: 第60回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Development of gene expression and genome editing systems in rice egg cells and zygotes by direct delivery of macromolecules. (2018)
  • 著者名/発表者名: Okamoto, T.,Toda E. , Koiso, N., Rahman MH., Takebayashi, A., Ichikawa, M., Kiba, T., Osakabe, Y., Osakabe, T., Sakakibara, H., Kato, N.
  • 学会等名: 25th International Congress on Sexual Plant Reproduction
  • 国際学会
• [学会発表] Genome editing in rice by direct delivery of preassembled CRISPR-Cas9 vectors or ribonucleoproteins into zygotes. (2018)
  • 著者名/発表者名: Okamoto, T., Toda E., Koiso, N., Takebayashi, A., Ichikawa, M., Kiba, T., Osakabe, Y., Osakabe, T., Sakakibara, H., Kato, N.
  • 学会等名: International Association for Plant Biotechnology Congress 2018
  • 国際学会
• [学会発表] A paternally expressed transcription factor possibly initiates rice early zygotic development. (2018)
  • 著者名/発表者名: Rahman MH., Toda E., Ohnishi Y., Koiso N., Okamoto T.
  • 学会等名: 25th International Congress on Sexual Plant Reproduction
  • 国際学会
• [学会発表] Effects of an imbalanced parental genome ratio on development of rice zygotes and possible function of genes expressing in zygotes with paternal allele-specific manner. (2018)
  • 著者名/発表者名: Toda E., Kobayashi M., Takahara M., Ohnishi Y., Kudo T., Rahman MH., Watanabe Y., Iwami M., Yano K., Okamoto T.
  • 学会等名: 25th International Congress on Sexual Plant Reproduction
  • 国際学会
• [学会発表] in vitro 受精系：育種への展開. (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡本龍史
  • 学会等名: 植物科学シンポジウム2018
  • 招待講演
• [学会発表] 精細胞侵入に伴う細胞内 Ca2+ レベルの上昇はイネ受精卵内の核合一を促進する. (2018)
  • 著者名/発表者名: 大西由之佑，國分巌，岡本龍史
  • 学会等名: 日本植物学会第82回大会
• [学会発表] 植物受精卵への Cas9タンパク質-gRNA 複合体の直接導入によるゲノム編集技術の確立と応用. (2018)
  • 著者名/発表者名: 戸田絵梨香、古磯成美、竹林有理佳、市川雅子、木羽隆敏、刑部敬史、刑部祐里子、榊原均、岡本龍史、加藤紀夫
  • 学会等名: 日本植物学会第82回大会