受粉時における自殖性と他殖性の質的・量的バランスを制御する分子機構と選択圧

2023 年度 実績報告書

• 研究領域: 植物の挑戦的な繁殖適応戦略を駆動する両性花とその可塑性を支えるゲノム動態
• 研究課題/領域番号: 22H05179
• 研究機関: 横浜市立大学
• 研究代表者: 清水 健太郎 横浜市立大学, 木原生物学研究所, 客員教授 (10742629)
• 研究分担者: 渡辺 正夫 東北大学, 生命科学研究科, 教授 (90240522) ; 孫 建強 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 農業情報研究センター, 主任研究員 (90838624)
• 研究期間 (年度): 2022-06-16 – 2027-03-31
• キーワード: ゲノム / 進化生物学 / 有性生殖 / 植物

研究実績の概要

植物では、多くの種が一つの花の中に雌と雄の生殖器官が同居した「両性花システム」を持つため、自殖(自家生殖)と他殖(他家生殖)の両者がおこりえる。19世紀のチャールズ・ダーウィンの研究以来、植物が自殖と他殖のバランスを頻繁に進化させたことが明らかになってきた。本研究では、進化学、ゲノム学、分子遺伝学や機械学習を学際的に融合させ、自殖と他殖のバランスを制御する分子基盤を解明することを目指している。
異なる2種間の雑種由来の倍数体植物では自家不和合性による他殖から自家和合性による自殖への進化が頻繁に見られることが知られていましたが、そのメカニズムは謎に包まれていました。そこで、倍数体植物ミヤマハタザオと、牧野富太郎博士が命名したことでも知られる亜種タチスズシロソウをモデル植物として、ゲノム解析と遺伝子導入実験をおこないました。その結果、他家受精植物では低分子RNAを介して片親ゲノム上にある自家受精拒絶システムが抑制されており、単一遺伝子の変異だけで自家受精が可能になることを明らかにした(Yew et al. Nature Commun 2023)。
倍数体植物の特徴として、自家和合性とともに、広い環境に適応する環境頑健性が知られている。そこで野外での植物の状態をモニタリングするAIを利用した画像解析システム（PlantServation）を開発し、ミヤマハタザオやタチスズシロソウなどの植物の画像データを400万枚以上収集し解析した。その結果、倍数体植物は、両親種の環境適応を受け継ぎ、組み合わせることで頑健性を得るという結果を得た(Akiyama et al. Nature Commun 2023)。さらに物理理論を応用して開発したNeighbor GWAS法に機械学習手法LASSO回帰を組み合わせて、野外環境でモデル植物シロイヌナズナの個体同士の相互作用を解析した(Sato et al. Nature Commun 2024)。これら3本を含め、多数の論文を出版した。

現在までの達成度

1: 当初の計画以上に進展している

理由

すでに植物生殖の様々な側面について多くの原著論文と総説を出版することができた。

今後の研究の推進方策

領域内で、進化ゲノミクスと集団遺伝学に加え、AI・機械学習の観点からの共同研究をさらに推進する。

研究成果

• [国際共同研究] フロリダ大学/ミシガン州立大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: フロリダ大学/ミシガン州立大学
• [国際共同研究] オックスフォード大学(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: オックスフォード大学
• [国際共同研究] レンヌ大学(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: レンヌ大学
• [国際共同研究] 国際トウモロコシ・コムギ改良センター(メキシコ)
  • 国名: メキシコ
  • 外国機関名: 国際トウモロコシ・コムギ改良センター
• [国際共同研究] チューリッヒ大学/ジュネーブ大学(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: チューリッヒ大学/ジュネーブ大学
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 1
• [雑誌論文] Natural neopolyploids: a stimulus for novel research (2025)
  • 著者名/発表者名: Edger Patrick P.、Soltis Douglas E.、Yoshioka Shunsuke、Vallejo‐Marin Mario、Shimizu‐Inatsugi Rie、Shimizu Kentaro K.、Salmon Armel、Hiscock Simon、Ainouche Malika、Soltis Pamela S.
  • 雑誌名: New Phytologist 巻: 246 ページ: 78～93
  • DOI: 10.1111/nph.20437
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Subgenome-informed statistical modeling of transcriptomes in 25 common wheat accessions reveals cis- and trans-regulation architectures (2025)
  • 著者名/発表者名: Nomura Yasuyuki、Okada Moeko、Tameshige Toshiaki、Takenaka Shotaro、Shimizu Kentaro K、Nasuda Shuhei、Nagano Atsushi J
  • 雑誌名: Plant And Cell Physiology 巻: 66 ページ: 347～357
  • DOI: 10.1093/pcp/pcaf011
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Unveiling yellow rust resistance in the near-Himalayan region: insights from a nested association mapping study (2025)
  • 著者名/発表者名: Jung Katharina、Akiyama Reiko、Nie Jilu、Nitta Miyuki、Hamaya Naoto-Benjamin、Qureshi Naeela、Bhavani Sridhar、Wicker Thomas、Keller Beat、Kishii Masahiro、Nasuda Shuhei、Shimizu Kentaro K.
  • 雑誌名: Theoretical and Applied Genetics 巻: 138 ページ: 135
  • DOI: 10.1007/s00122-025-04886-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Reducing herbivory in mixed planting by genomic prediction of neighbor effects in the field (2024)
  • 著者名/発表者名: Sato Yasuhiro、Shimizu-Inatsugi Rie、Takeda Kazuya、Schmid Bernhard、Nagano Atsushi J.、Shimizu Kentaro K.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 15 ページ: 8467
  • DOI: 10.1038/s41467-024-52374-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Wheat: Recent Advances in Genomics to Explore the History of Domestication and Polyploidization (2024)
  • 著者名/発表者名: Okada Moeko、Shimizu Kentaro K.
  • 雑誌名: Phylogeographic History of Plants and Animals Coexisting with Humans in Asia 巻: 1 ページ: 155～180
  • DOI: 10.1007/978-981-97-6887-5_10
• [雑誌論文] Transgenic Arabidopsis thaliana plants expressing bacterial γ-hexachlorocyclohexane dehydrochlorinase LinA (2024)
  • 著者名/発表者名: Deng Wenhao、Takada Yoshinobu、Nanasato Yoshihiko、Kishida Kouhei、Stari Leonardo、Ohtsubo Yoshiyuki、Tabei Yutaka、Watanabe Masao、Nagata Yuji
  • 雑誌名: BMC Biotechnology 巻: 24 ページ: 42
  • DOI: 10.1186/s12896-024-00867-0
  • 査読あり
• [雑誌論文] MLPK function is not required for self-incompatibility in the S29 haplotype of Brassica rapa L. (2023)
  • 著者名/発表者名: Ohata Mayu、Takada Yoshinobu、Sato Yui、Okamoto Takumi、Murase Kohji、Takayama Seiji、Suzuki Go、Watanabe Masao
  • 雑誌名: Plant Reproduction 巻: 36 ページ: 255～262
  • DOI: 10.1007/s00497-023-00463-w
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular characterization of SrSTP14, a sugar transporter from thermogenic skunk cabbage, and its possible role in developing pollen (2023)
  • 著者名/発表者名: Koyamatsu Daiki、Otsubo Miyabi、Ohira Tomonori、Sato Mitsuhiko P.、Suzuki‐Masuko Hiromi、Shiota Takuya、Takenaka Takano Kohei、Ozeki Masaaki、Otsuka Koichi、Ogura Yoshitoshi、Hayashi Tetsuya、Watanabe Masao、Inaba Takehito、Ito‐Inaba Yasuko
  • 雑誌名: Physiologia Plantarum 巻: 175 ページ: e13957
  • DOI: 10.1111/ppl.13957
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dominance in self-compatibility between subgenomes of allopolyploid Arabidopsis kamchatica shown by transgenic restoration of self-incompatibility (2023)
  • 著者名/発表者名: Yew Chow-Lih、Tsuchimatsu Takashi、Shimizu-Inatsugi Rie、Yasuda Shinsuke、Hatakeyama Masaomi、Kakui Hiroyuki、Ohta Takuma、Suwabe Keita、Watanabe Masao、Takayama Seiji、Shimizu Kentaro K.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 7618
  • DOI: 10.1038/s41467-023-43275-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Seasonal pigment fluctuation in diploid and polyploid Arabidopsis revealed by machine learning-based phenotyping method PlantServation (2023)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 5792
  • DOI: 10.1038/s41467-023-41260-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Lanthanum Supplementation Alleviates Tomato Root Growth Suppression under Low Light Stress (2023)
  • 著者名/発表者名: Iguchi Syo、Tokunaga Tatsuya、Kamon Eri、Takenaka Yuto、Koshimizu Shizuka、Watanabe Masao、Ishimizu Takeshi
  • 雑誌名: Plants 巻: 12 ページ: 2663～2663
  • DOI: 10.3390/plants12142663
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A low-coverage 3′ RNA-seq to detect homeolog expression in polyploid wheat (2023)
  • 著者名/発表者名: Sun Jianqiang、Okada Moeko、Tameshige Toshiaki、Shimizu-Inatsugi Rie、Akiyama Reiko、Nagano Atsushi J、Sese Jun、Shimizu Kentaro K
  • 雑誌名: NAR Genomics and Bioinformatics 巻: 5 ページ: lqad067
  • DOI: 10.1093/nargab/lqad067
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Targeted single-cell gene induction by optimizing the dually regulated CRE/loxP system by a newly defined heat-shock promoter and the steroid hormone in Arabidopsis thaliana (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomoi Takumi、Tameshige Toshiaki、Betsuyaku Eriko、Hamada Saki、Sakamoto Joe、Uchida Naoyuki、Torii Keiko U.、Shimizu Kentaro K.、Tamada Yosuke、Urawa Hiroko、Okada Kiyotaka、Fukuda Hiroo、Tatematsu Kiyoshi、Kamei Yasuhiro、Betsuyaku Shigeyuki
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 14 ページ: 1171531
  • DOI: 10.3389/fpls.2023.1171531
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] UV RESISTANCE LOCUS 8 Mediated UV-B Response Is Required Alongside CRYPTOCHROME1 for Plant Survival in Sunlight under Field Conditions (2023)
  • 著者名/発表者名: Stockenhuber Reinhold、Akiyama Reiko、Tissot Nicolas、Milosavljevic Stefan、Yamazaki Misako、Wyler Michele、Arongaus Adriana B、Podolec Roman、Sato Yasuhiro、Widmer Alex、Ulm Roman、Shimizu Kentaro K
  • 雑誌名: Plant And Cell Physiology 巻: 65 ページ: 35～48
  • DOI: 10.1093/pcp/pcad113
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Genome-wide association study of aphid abundance highlights a locus affecting plant growth and flowering in Arabidopsis thaliana (2023)
  • 著者名/発表者名: Xu Chongmeng、Sato Yasuhiro、Yamazaki Misako、Brasser Marcel、Barbour Matthew A.、Bascompte Jordi、Shimizu Kentaro K.
  • 雑誌名: Royal Society Open Science 巻: 10 ページ: rsos.230399
  • DOI: 10.1098/rsos.230399
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 10+ genomes and pan-transcriptome projects of hexaploid bread wheat highlighted the pa9ern of selecCon and yellow rust resistance in Asian landraces (2025)
  • 著者名/発表者名: Kentaro K. Shimizu
  • 学会等名: SwissPlant 2025, Symposium "Plant Science Research" 33rd, Les Diablerets, Switzerland
• [学会発表] シロイヌナズナ混植による虫害減少をNeighborGWAS法によって予測・検証した (2025)
  • 著者名/発表者名: 清水健太郎，佐藤安弘，武田和也，Bernhard Schmid，永野敦
  • 学会等名: 第66回日本植物生理学会、金沢/Zoom
• [学会発表] Genome-wide neighbor effects predict genotype pairs that reduce herbivory in mixed planting: genome-wide association and genomic prediction using Neighbor GWAS (2024)
  • 著者名/発表者名: Shimizu KK, Akiyama R, Goto T, Tameshige T, Sugisaka J, Kuroki K, Sun J, Akita J, Hatakeyama M, Kudoh H, Tanaka K, Tonouchi A, Shimahara Y, Sese J, Kutsuna N, Shimizu-Inatsugi R, Nagano A, Fujita R, Kamiya Y
  • 学会等名: International Plant Molecular Biology, Cairns, Australia
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Gene expression profiling in young pollen cell of Arabidopsis thaliana and A. lyrata (2024)
  • 著者名/発表者名: Takahashi T, Fukushima K, Kakui H, Hedhly A, Florez-Rueda AM, Grossniklaus U, Shimizu KK
  • 学会等名: The 27th International Congress on Sexual Plant Reproduction, Providence, USA
  • 国際学会
• [学会発表] Alteration of Homoeologous Gene Expression by Allopolyploidization: an Example of Cold Response (2024)
  • 著者名/発表者名: Okada M, Sun J, Tameshige T, Hatakeyama M, Shimizu-Inatsugi R, Takumi S, Sese J, Shimizu KK
  • 学会等名: The 3rd International Wheat Congress, Perth, Australia
• [学会発表] Genetic and linguistic evolution studied by the GeLaTo database (2024)
  • 著者名/発表者名: 清水健太郎
  • 学会等名: 日本人類遺伝学会 第69回大会 会長企画 札幌
  • 招待講演
• [学会発表] アブラナ科の花粉吸水制御における雌しべ乳頭細胞の細胞膜H+-ATPaseの関与 (2024)
  • 著者名/発表者名: 林真妃, 福島和紀, 増子(鈴木)潤美, 木下俊則, 井上晋一郎, 高山誠司, 高田美信, 渡辺正夫
  • 学会等名: 日本育種学会 第145回講演会, 東京大学
• [学会発表] 雌ずい乳頭細胞の細胞膜H+-ATPase活性がアブラナ科の花粉吸水制御に関与する (2024)
  • 著者名/発表者名: 林真妃, 福島和紀, 増子(鈴木)潤美, 木下俊則, 井上晋一郎, 高山誠司, 高田美信, 渡辺正夫
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会, 神戸大学
• [学会発表] Robustness of allopolyploid species in natura: genome shock or gradual evolution? (2023)
  • 著者名/発表者名: Kentaro K. Shimizu
  • 学会等名: Polyploidy 2023, Palm Coast, Florida, USA
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Robustness of polyploid species in natura studied by genomics and machine learning (2023)
  • 著者名/発表者名: Kentaro K. Shimizu
  • 学会等名: Joint Kickoff Symposium for Key-Molecule-Network in Plant Reproduction (KEPLR) and CRISPit, University of Tokyo, Tokyo, Japan
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Time-series field phenotyping system PlantServation using machine learning revealed seasonal pigment fluctuation trends in diploid and polyploid Arabidopsis. (2023)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Tameshige, Reiko Akiyama, Takao Goto, Jiro Sugisaka, Ken Kuroki, Jianqiang Sun, Junichi Akita, Masaomi Hatakeyama, Hiroshi Kudoh, Tanaka Kenta, Aya Tonouchi, Yuki Shimahara, Jun Sese, Natsumaro Kutsuna, Rie Shimizu-Inatsugi, Kentaro K Shimizu
  • 学会等名: The 33rd International Conference on Arabidopsis Research (ICAR2023), Chiba, Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Keystone pairs of Arabidopsis accessions increase plant resistance to field herbivory (2023)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Sato, Rie Shimizu-Inatsugi, Kazuya Takeda, Atsushi J. Nagano, Kentaro K. Shimizu
  • 学会等名: International Conference on Arabidopsis Research (ICAR) 2023, Chiba, Japan
  • 国際学会
• [学会発表] Evolution of male gamete number in bread wheat (Triticum aestivum L. (2023)
  • 著者名/発表者名: Naoto-Benjamin Hamaya, Hiroyuki Kakui, Jilu Nie, Moeko Okada, Thomas Wicker, Beat Keller, Shuhei Nasuda, Kentaro K. Shimizu
  • 学会等名: International Conference of URPP EVolution in Action, Monte Verita, Switzerland
  • 国際学会
• [学会発表] Genome-wide neighbor effects predict genotype pairs reducing herbivory in mixed planting (2023)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Sato, Rie Shimizu-Inatsugi, Kazuya Takeda, Atsushi J. Nagano, Kentaro K. Shimizu
  • 学会等名: Biodiversity Convention - From Science to Implementation, Monte Verita, Switzerland
  • 国際学会
• [学会発表] Robustness of polyploid species: evolutionary genomic studies using Arabidopsis kamchatica and wheat (2023)
  • 著者名/発表者名: Kentaro K. Shimizu
  • 学会等名: Symposium Genome duplication at the intersection of biodiversity and crop sciences, Fribourg, Switzerland
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 今後のアブラナ科作物研究に向けて (2023)
  • 著者名/発表者名: 渡辺正夫
  • 学会等名: 第2回アブラナ科ゲノム育種研究会, 東京大学
  • 招待講演
• [学会発表] 大規模トランスクリプトームから見た野外環境下におけるパンコムギの季節性遺伝子発現 (2023)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Tameshige, Jianqiang Sun, Reiko Akiyama, Jiro Sugisaka, Yoko Kamiya, Atsushi Nagano, Rie Shimizu-Inatsugi, Jun Sese, Kentaro Shimizu
  • 学会等名: 日本植物学会第87回大会，札幌
• [学会発表] アブラナ科作物研究の過去から学ぶ (2023)
  • 著者名/発表者名: 渡辺正夫
  • 学会等名: 日本育種学会 第144回講演会, 神戸大学
  • 招待講演
• [学会発表] Dominance in self-compatibility between subgenomes of allopolyploid Arabidopsis kamchatica inherited from progenitor species (2023)
  • 著者名/発表者名: Kentaro K. Shimizu
  • 学会等名: Kickoff Meeting for Key-Molecule-Network in Plant Reproduction (KEPLR) Zurich, Zurich, Switzerland
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Environmental robustness of Arabidopsis allopolyploid species. (2023)
  • 著者名/発表者名: Kentaro K. Shimizu
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会年会 シンポジウム「表現型可塑性とエピゲノム制御による生物の適応戦略」，神戸，zoom
  • 招待講演
• [学会発表] コムギの栽培化に伴って花粉数は変わるのか？ (2023)
  • 著者名/発表者名: 角井宏行, Naoto-Benjamin Hamaya, 岡田萌子, Katharina Jung, 聶紀魯, Thomas Wicker, Beat Keller, 清水健太郎, 那須田周平
  • 学会等名: 第18回ムギ類研究会，滋賀
• [備考] プレスリリース：生物多様性の力で虫害を防ぐ 混ぜて植えるべき植物の遺伝子型ペアをゲノム情報から予測
  • URL: https://www.yokohama-cu.ac.jp/res-portal/news/2024/20241007shimizu.html
• [備考] 画像解析AIを利用して植物の環境応答解析システムを開発 : 牧野富太郎の命名した植物の頑健性を解明
  • URL: https://www.yokohama-cu.ac.jp/res-portal/news/2023/20230921shimizu.html
• [備考] 牧野富太郎博士が命名した植物を使って ダーウィンの研究した自家受精進化の謎を解明
  • URL: https://www.yokohama-cu.ac.jp/news/2023/20231130shimizu_u.html
• [備考] アジア在来コムギの黄さび病抵抗性の遺伝的基盤を解明：木原博士以来収集された在来品種の育種活用へ&
  • URL: https://www.yokohama-cu.ac.jp/res-portal/news/20250605shimizu.html