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2019 年度 実績報告書

リプログラミングによる植物幹細胞の新生機構の解明

計画研究

研究領域植物の生命力を支える多能性幹細胞の基盤原理
研究課題/領域番号 17H06472
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

林 誠  国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, チームリーダー (30291933)

研究分担者 石崎 公庸  神戸大学, 理学研究科, 教授 (00452293)
研究期間 (年度) 2017-06-30 – 2022-03-31
キーワードゲノム / 発現制御 / 発生・分化 / 植物
研究実績の概要

マメ科植物の根粒形成は分化した根の皮層細胞が分裂することから始まることから、これを幹細胞の新生と位置づけた。これまで根粒の発生において必須の役割を担うRWP-RK型転写因子NINについて着目してきた。NINはその下流でNF-YおよびASL18/LBD16遺伝子を発現誘導し、これらは複合体を形成することなどを論文で発表した。根粒菌の感染に伴い分裂が誘導される皮層細胞を濃縮する実験系を確立し、1細胞RNAseqで遺伝子発現データを取得した。また同条件におけるバルクでの経時的RNAseq解析をおこなった。
陸上植物進化の基部に位置するゼニゴケは、栄養成長期に杯状体という器官を形成し、内部に多数の独立したクローン個体(無性芽)を形成することで、無性的に増殖する。本研究では、ゼニゴケ杯状体の底部で幹細胞新生に重要な役割をもつR2R3-MYB型転写因子GCAM1に焦点をあてて解析している。本年度、GCAM1遺伝子のクローン個体発生における機能について論文として報告した。GCAM1遺伝子が被子植物の腋芽形成を制御するシロイヌナズナRAXやトマトBlindとオーソログの関係であることも示し、GCAM1による幹細胞新生の制御メカニズムが、陸上植物で保存されていることを示唆した。無性芽発生の開始にROP GTPアーゼの活性化が必須であることも論文として報告した。GCAM1下流で発現が制御され、杯状体形成に機能する1R-MYB型転写因子を見出した。現在1R-MYBとGCAM1の関係について解析を進めている。公募の西浜班との共同研究でGCAM1の種内パラログGC1Lの解析を行っており、GC1LがGCAM1と冗長的に葉状体の基部側断片からのメリステム再生プロセスに機能することを示唆する結果を得ている。GCL1の誘導過剰発現体の作出やプロモーター解析、下流因子の網羅的解析についても研究が進行中である。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

根粒の発生を制御する転写因子NINについて、その下流で働く転写因子ASL18/LBD16が側根形成にも重要であることから、根粒形成が側根形成から進化したと考えられる重要な知見を得た。さらに根粒形成における1細胞RNAseq法を確立し、その解析に着手したことで、皮層における幹細胞新生に係わる遺伝子を洗い出すことが可能になった。
幹細胞新生を制御するGCAM1の論文を報告するとともに、GCAM1下流で制御され幹細胞新生に関わる1R-MYBを見出した。また、梅田班との共同研究からGCAM1発現制御の上流にサイトカイニンが関わっていることが明らかとなった。またGCAM1に加えGCL1下流で制御される遺伝子について時系列のトランスクリプトーム解析のデータ解析が完了し、下流で幹細胞新生に関わる幾つかの制御因子候補については、ノックアウト変異体の作出を進めている。

今後の研究の推進方策

根粒形成におけるNINを中心とした遺伝子発現調節ネットワークを明らかにするため、特に皮層細胞の分裂誘導に着目した研究をさらに進める。1細胞RNAseq法によるデータ取得が進展したことから、クラスター解析などにより細胞種を特定し、皮層細胞分裂に特徴的な遺伝子発現を解析する。またプロトプラスト化のバイアスを避けるために単離核での1細胞RNAseq法にも着目する。さらに、感染に伴う細胞周期の変化を可視化する系を確立し、クロマチン構造の変化を検証するために1細胞ATACseqを試みる。
GCAM1による転写制御のメカニズムを明らかにするため、GCAM1-Citrineノックイン株を用いた免疫沈降実験によるGCAM1相互作用因子の同定、およりクロマチン免疫沈降実験によるGCAM1結合DNA領域の解析を行う。また、GCAM1(+GC1L)の機能誘導系による幹細胞増殖系を用いた、幹細胞組織におけるクロマチン動態の解析にも力を注ぐ予定である。その際、特にクロマチンが開いた状態の領域を解析するATAC-seq解析の遂行を急ぎたい。GCAM1とGCL1の下流で機能する幹細胞制御因子の解析をすすめる。その他、GCAM1遺伝子の発現を上流で制御するサイトカイニンシグナル伝達系に関して解析(梅田班との共同研究)を進めるとともに、GCAM1のパラログGC1Lの機能解析(西浜班との共同研究)も進める予定である。

  • 研究成果

    (21件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 1件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 4件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] The rhizobial autotransporter determines the symbiotic nitrogen fixation activity of Lotus japonicus in a host-specific manner2020

    • 著者名/発表者名
      Shimoda Yoshikazu、Nishigaya Yuki、Yamaya-Ito Hiroko、Inagaki Noritoshi、Umehara Yosuke、Hirakawa Hideki、Sato Shusei、Yamazaki Toshimasa、Hayashi Makoto
    • 雑誌名

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      巻: 117 ページ: 1806~1815

    • DOI

      10.1073/pnas.1913349117

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A shared gene drives lateral root development and root nodule symbiosis pathways in Lotus2019

    • 著者名/発表者名
      Soyano Takashi、Shimoda Yoshikazu、Kawaguchi Masayoshi、Hayashi Makoto
    • 雑誌名

      Science

      巻: 366 ページ: 1021~1023

    • DOI

      10.1126/science.aax2153

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Kinase activity-dependent stability of calcium/calmodulin-dependent protein kinase of Lotus japonicus2019

    • 著者名/発表者名
      Shimoda Yoshikazu、Imaizumi-Anraku Haruko、Hayashi Makoto
    • 雑誌名

      Planta

      巻: 250 ページ: 1773~1779

    • DOI

      10.1007/s00425-019-03264-6

    • 査読あり
  • [雑誌論文] ERN1 and CYCLOPS coordinately activate NIN signaling to promote infection thread formation in Lotus japonicus2019

    • 著者名/発表者名
      Liu Meng、Soyano Takashi、Yano Koji、Hayashi Makoto、Kawaguchi Masayoshi
    • 雑誌名

      Journal of Plant Research

      巻: 132 ページ: 641~653

    • DOI

      10.1007/s10265-019-01122-w

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A conserved regulatory mechanism mediates the convergent evolution of plant shoot lateral organs2019

    • 著者名/発表者名
      Naramoto Satoshi、Jones Victor Arnold Shivas、Trozzi Nicola、Sato Mayuko、Toyooka Kiminori、Shimamura Masaki、Ishida Sakiko、Nishitani Kazuhiko、Ishizaki Kimitsune、Nishihama Ryuichi、Kohchi Takayuki、Dolan Liam、Kyozuka Junko
    • 雑誌名

      PLOS Biology

      巻: 17 ページ: e3000560

    • DOI

      10.1371/journal.pbio.3000560

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] GEMMA CUP-ASSOCIATED MYB1, an Ortholog of Axillary Meristem Regulators, Is Essential in Vegetative Reproduction in Marchantia?polymorpha2019

    • 著者名/発表者名
      Yasui Yukiko、Tsukamoto Shigeyuki、Sugaya Tomomi、Nishihama Ryuichi、Wang Quan、Kato Hirotaka、Yamato Katsuyuki T.、Fukaki Hidehiro、Mimura Tetsuro、Kubo Hiroyoshi、Theres Klaus、Kohchi Takayuki、Ishizaki Kimitsune
    • 雑誌名

      Current Biology

      巻: 29 ページ: 3987~3995.e5

    • DOI

      10.1016/j.cub.2019.10.004

    • 査読あり
  • [雑誌論文] The RopGEF KARAPPO Is Essential for the Initiation of Vegetative Reproduction in Marchantia polymorpha2019

    • 著者名/発表者名
      Takuma Hiwatashi, Honzhen Goh, Yukiko Yasui, (10 authors), Shuji Shigenobu, Hidehiro Fukaki, Tetsuro Mimura, Kiminori Toyooka, Shinichiro Sawa, Katsuyuki T. Yamato, Takashi Ueda, Daisuke Urano, Takayuki Kohchi, Kimitsune Ishizaki
    • 雑誌名

      Current Biology

      巻: 29 ページ: 3525~3531.e7

    • DOI

      10.1016/j.cub.2019.08.071

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Cytokinin Signaling Is Essential for Organ Formation in Marchantia polymorpha2019

    • 著者名/発表者名
      Aki Shiori S、Mikami Tatsuya、Naramoto Satoshi、Nishihama Ryuichi、Ishizaki Kimitsune、Kojima Mikiko、Takebayashi Yumiko、Sakakibara Hitoshi、Kyozuka Junko、Kohchi Takayuki、Umeda Masaaki
    • 雑誌名

      Plant and Cell Physiology

      巻: 60 ページ: 1842~1854

    • DOI

      10.1093/pcp/pcz100

    • 査読あり
  • [学会発表] The legume-rhizobial gene-for-gene interaction based on the Lotus japonicus and Mesorhizobium loti co-expression network2020

    • 著者名/発表者名
      Tsuneo Hakoyama, Atsuko Hirota, Yoshikazu Shimoda, Makoto Hayashi
    • 学会等名
      第61回日本植物生理学会年会
  • [学会発表] Single-cell RNAseq analysis of Lotus japonicus roots to elucidate the genetic mechanisms of cell division reactivation in legume cortical cells2020

    • 著者名/発表者名
      Kai Battenberg, S. Thomas Kelly, Nicola Hetherington, Aki Minoda, Makoto Hayashi
    • 学会等名
      第61回日本植物生理学会年会
  • [学会発表] Sterol acyltransferase is involved in the regulation of root nodule symbiosis2020

    • 著者名/発表者名
      Akihiro Yamazaki, Yozo Okazaki, Yasuhiro Higashi, Kazuki Saito, Akira Akamatsu, Naoya Takeda, Akira Miyahara, Miwa Nagae, Yosuke Umehara and Makoto Hayashi
    • 学会等名
      第61回日本植物生理学会年会
  • [学会発表] Roles of Lotus japonicus PUCHI genes in root nodule formation2020

    • 著者名/発表者名
      Takashi Soyano, Masayoshi Kawaguchi, Makoto Hayashi
    • 学会等名
      第61回日本植物生理学会年会
  • [学会発表] ミヤコグサ根粒菌 Mesorhizobium lotiトランスポゾン挿入変異体の挿入位置決定2019

    • 著者名/発表者名
      箱山雅生、廣田敦子、山崎祥子、久下修平、辻井快、下田宜司、山崎明広、林誠
    • 学会等名
      植物微生物研究会第29回研究交流会
  • [学会発表] 根粒形成初期におけるミヤコグサの根の1細胞RNAseq解析に向けて2019

    • 著者名/発表者名
      辻井快、S. Thomas Kelly、Nicola Hetherington、Aki Minoda、林誠
    • 学会等名
      植物微生物研究会第29回研究交流会
  • [学会発表] CAMTA1: a novel regulator of nodulation2019

    • 著者名/発表者名
      Akihiro Yamazaki, Kiminori Toyooka, Akira Akamatsu, Naoya Takeda, Akira Miyahara, Miwa Nagae, Yosuke Umehara, and Makoto Hayashi
    • 学会等名
      IS-MPMI XVIII Congress
    • 国際学会
  • [学会発表] Marchantia as a model for evolutionary biology.2019

    • 著者名/発表者名
      Kimitsune Ishizaki
    • 学会等名
      The Vassilios Sarafis OzBryo Meeting
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] An evolutionary conserved mechanism for production of secondary meristems in land plants.2019

    • 著者名/発表者名
      Kimitsune Ishizaki
    • 学会等名
      Australian Society of Plant Scientists Conference: ASPS2019
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] GEMMA CUP-ASSOCIATED MYB1, an orthologue of axillary meristem regulator, is essential for vegetative reproduction in the liverwort Marchantia polymorpha2019

    • 著者名/発表者名
      Kimitsune Ishizaki
    • 学会等名
      Marchantia Workshop 2019
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ゼニゴケ形態形成におけるRopGAPの機能解析2019

    • 著者名/発表者名
      上野亜紀, 樋渡琢真, 三村徹郎, 深城英弘, 石崎公庸
    • 学会等名
      日本植物学会第83回大会
  • [学会発表] ゼニゴケ無性芽形成に機能するRopおよびRopGEFの細胞内局在解析2019

    • 著者名/発表者名
      樋渡琢真, 上野亜紀, 金澤建彦, 南野尚紀, 深城英弘, 三村徹郎, 上田貴志, 石崎公庸
    • 学会等名
      日本植物学会第83回大会
  • [学会発表] 重イオンビーム照射胞子を用いたゼニゴケ配偶体形態形成変異体のスクリーニングと解析2019

    • 著者名/発表者名
      酒井嵩人, 平田千穂, 風間裕介, 阿部知子, 三村徹郎, 深城英弘, 石崎公庸
    • 学会等名
      日本植物学会第83回大会

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公開日: 2021-01-27  

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