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2019 年度 実績報告書

植物自家不和合性の分子機構と進化

研究課題

研究課題/領域番号 16H06380
研究機関東京大学

研究代表者

高山 誠司  東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 教授 (70273836)

研究分担者 和田 七夕子  奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (50379541)
研究期間 (年度) 2016-05-31 – 2021-03-31
キーワード植物 / シグナル伝達 / 蛋白質 / 進化 / 自家不和合性
研究実績の概要

本年度は、自家不和合性の分子機構と進化に関する下記3課題について、以下の研究成果を得た。
1)自己および非自己認識機構の蛋白質構造化学的解明:アブラナ科植物では、結晶構造を解明したSハプロタイプと近位の7つのSハプロタイプについてSP11とSRKの立体構造をホモロジーモデリングにより予測し、MM-GBSA法による総当たり結合実験を行い、いずれも自己の組み合わせにおいて最も複合体が安定化することを見いだした。ナス科植物については、3つのS-RNaseの結晶構造を決定すると共に、これらと相互作用するSLFの部位特異的置換実験を実施し、SLFが自己を認識しないように変異を蓄積してきた経緯を一部明らかにした。
2)自他認識から受精阻害あるいは受精促進に至るまでの情報伝達系の解明:本年度は、アブラナ科の自家和合性種のシロイヌナズナの雌ずいが、SRKを導入しても安定な自家不和合性を獲得しない原因の解明を進め、進化の過程でSRKの発現を抑制する逆位反復配列を繰り返し獲得していることを明らかにした。さらに、東北大学と共同でアブラナ科植物の自家和合性変異株の解析を進め、新たな原因遺伝子座の特定に成功し報告した。ナス科植物においては、自家受粉時における花粉管mRNA量の低下が、花粉管内に蓄積するS-RNaseのリボヌクレアーゼ活性に依存する分解によるものかどうかを検証するための系の確立を進めた。
3)植物自家不和合性の進化過程の解明:自家和合性種の雌ずいが自家不和合性種の花粉を受入れ易いとする一側性不和合性は、自家不和合性と種間不和合性の関連性を示唆する興味深い現象である。本年度は自家和合性種のシロイヌナズナに異種花粉の受入れ易さに多型があることを利用して一側性の不和合性に関わる遺伝子座を複数同定した。その内の一つは、自家不和合性には関与せず、種間不和合性に特化した分子であることを明らかにした。

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

研究実施計画に掲げた3項目については、いずれも計画通り順調に進展している。1)のアブラナ科植物における自己認識機構の蛋白質構造化学的解析では、結晶構造解析結果に基づくシミュレーション解析により、複数のSハプロタイプのSP11-SRKについて自己特異的な結合が確認され、両者が鍵と鍵穴構造を保持しつつ柔軟に多様性を獲得してきた経緯が明らかにされつつある。ナス科植物の非自己認識機構についても、結晶構造が解明された3つのS-RNaseと、部位特異的変異導入SLFとの相互作用解析により、各Sハプロタイプが自己認識型SLFに変異を蓄積し、自己認識を回避してきた経緯が明らかにされつつある。2)のアブラナ科植物における情報伝達系の解明においては、SRK下流の情報伝達系に関して新たな原因遺伝子座の関与を発見し、新たな独自の手掛かりを得ることができた。ナス科植物においては、自己花粉管内におけるS-RNaseの分解モデルを証明するための実験系が確立されつつある。3)の自家不和合性の進化過程の解明においては、我々が提唱したS-RNase型非自己認識システムが祖先型自家不和合性システムとして広く植物界に分布するという説を支持する報告が集まりつつあり、新たな視点としてNews & Viewsに寄稿した。また、自家不和合性との関与が示唆される一側性の種間不和合性の原因遺伝子座の解析を進め、自家不和合性とは独立に進化した遺伝子座の発見に成功し報告した。

今後の研究の推進方策

今後は上記3課題について、以下の研究項目を実施する。
1)自己および非自己認識機構の蛋白質構造化学的解明:アブラナ科植物については、ホモロジーモデリングによるSP11-SRK構造予測をより広範なSハプロタイプに拡大すると共に、部位特異的変異導入実験等を通じて予測構造の正当性を証明し、論文にまとめて報告する。ナス科植物については、SLFの異種細胞発現系での発現検討を継続すると共に、結晶構造を明らかにしたS-RNaseと部位特異的変異導入SLFとの相互作用情報をもとに非自己認識モデルを作成して報告する。
2)自他認識から受精阻害あるいは受精促進に至るまでの分子機構解明:アブラナ科植物については、SRKのリン酸化以降の情報伝達経路に関わる分子の特定を進め、自家不和合性機構に関する新たな分子モデルを提唱する。ナス科植物については、自家受粉後の花粉管由来RNAのデグラドーム解析を進め、自家受粉時特異的なRNA分解モデルを証明する。
3)植物自家不和合性の進化過程の解明:異形花型を含む各種自家不和合性遺伝子座のゲノム解析をを継続し、植物が多様な性表現を獲得してきた経緯を解明する。

  • 研究成果

    (16件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 1件、 招待講演 3件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] 植物が異種の花粉を排除する仕組みを発見2020

    • 著者名/発表者名
      藤井 壮太、高山 誠司
    • 雑誌名

      バイオサイエンスとインダストリー

      巻: 78 ページ: 14~17

  • [雑誌論文] Expanding the RNase world2020

    • 著者名/発表者名
      Fujii Sota、Takayama Seiji
    • 雑誌名

      Nature Plants

      巻: 6 ページ: 53~54

    • DOI

      10.1038/s41477-020-0596-4

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Parallel evolution of dominant pistil-side self-incompatibility suppressors in Arabidopsis2020

    • 著者名/発表者名
      Fujii Sota、Shimosato-Asano Hiroko、Kakita Mitsuru、Kitanishi Takashi、Iwano Megumi、Takayama Seiji
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 11 ページ: 1404

    • DOI

      10.1038/s41467-020-15212-0

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A stigmatic gene confers interspecies incompatibility in the Brassicaceae2019

    • 著者名/発表者名
      Fujii Sota、Tsuchimatsu Takashi、Kimura Yuka、Ishida Shota、Tangpranomkorn Surachat、Shimosato-Asano Hiroko、Iwano Megumi、Furukawa Shoko、Itoyama Wakana、Wada Yuko、Shimizu Kentaro K.、Takayama Seiji
    • 雑誌名

      Nature Plants

      巻: 5 ページ: 731~741

    • DOI

      10.1038/s41477-019-0444-6

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Genetic and tissue-specific RNA-sequencing analysis of self-compatible mutant TSC28 in <i>Brassica rapa</i> L. toward identification of a novel self-incompatibility factor2019

    • 著者名/発表者名
      Osaka Masaaki、Nabemoto Moe、Maeda Shunsuke、Sakazono Satomi、Masuko-Suzuki Hiromi、Ito Kana、Takada Yoshinobu、Kobayashi Issei、Lim Yong Pyo、Nakazono Mikio、Fujii Sota、Murase Kohji、Takayama Seiji、Suzuki Go、Suwabe Keita、Watanabe Masao
    • 雑誌名

      Genes & Genetic Systems

      巻: 94 ページ: 167~176

    • DOI

      10.1266/ggs.19-00010

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] アブラナ科種間不和合性を担うSTIGMATIC PRIVACY 1のシロイヌナズナ系統間における生化学的な比較解析2020

    • 著者名/発表者名
      加藤義宣、木村友香、高山誠司、藤井壮太
    • 学会等名
      第61回日本植物生理学会年会
  • [学会発表] 異種の花粉を排除するStigmatic privacy 1の機能に関わるアミノ酸部位の研究2020

    • 著者名/発表者名
      石田翔太、木村友香、藤井壮太、高山誠司
    • 学会等名
      第61回日本植物生理学会年会
  • [学会発表] 異種の花粉を選択的に排除する分子メカニズム2019

    • 著者名/発表者名
      藤井壮太
    • 学会等名
      第42回日本分子生物学会
    • 招待講演
  • [学会発表] ゲノムワイド関連解析による異種花粉識別分子の発見2019

    • 著者名/発表者名
      藤井壮太
    • 学会等名
      第51回種生物学会シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] A molecular mechanism that rejects pollen from foreign species2019

    • 著者名/発表者名
      Sota Fujii
    • 学会等名
      International Symposium on the Future Direction of Plant Science by Young Researchers
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Brassica napusで見出したS遺伝子座に非依存的な自家不和合性形質の同定2019

    • 著者名/発表者名
      岡本拓実、岡本美咲、引地恵梨、小川萌菜、高田美信、鈴木剛、高山誠司、渡辺正夫
    • 学会等名
      第136回日本育種学会秋季大会
  • [学会発表] ハクサイ品種における一側性不和合性遺伝子多型と優性非機能型の柱頭側因子SUI1-102019

    • 著者名/発表者名
      高田美信、三原淳希、何雨徽、謝浩林、尾崎友亮、鈴木剛、高山誠司、渡辺正夫
    • 学会等名
      第136回日本育種学会秋季大会
  • [学会発表] Brassica napusを用いた自家不和合性系統と和合性系統の交雑後代における自家不和合性表現型の遺伝学的解析2019

    • 著者名/発表者名
      小川萌菜、岡本拓実、岡本美咲、引地恵梨、高田美信、鈴木剛、高山誠司、渡辺正夫
    • 学会等名
      第136回日本育種学会秋季大会
  • [学会発表] epiQTL解析による胚乳発達に寄与するインプリント遺伝子の探索および機能解析2019

    • 著者名/発表者名
      山田慧士朗、山口翔、山口京、和田七夕子、高山誠司、伊藤寿朗
    • 学会等名
      第42回日本分子生物学会年会
  • [学会発表] ゲノムワイド関連解析におけるシロイヌナズナ系統間雑種における雑種強勢機構の解明2019

    • 著者名/発表者名
      田中裕也、伊藤寿朗、和田七夕子、布平竜也、羽根佑樹、高山誠司
    • 学会等名
      第42回日本分子生物学会年会
  • [備考] 東京大学大学院農学生命科学研究科応用生命化学専攻生物有機化学研究室

    • URL

      http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/seiyu/

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公開日: 2021-01-27  

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