陸上植物の性分化：遺伝的頑健性と可塑性のメカニズム

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H07424
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 河内 孝之 京都大学, 生命科学研究科, 教授 (40202056)
• 研究分担者: 中島 敬二 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (80273853) ; 大和 勝幸 近畿大学, 生物理工学部, 教授 (50293915)
• 研究期間 (年度): 2017-10-30 – 2022-03-31
• キーワード: 植物発生生物学 / 配偶体世代 / 性分化 / 有性生殖 / 長鎖非翻訳RNA / Marchantia polymorpha

研究実績の概要

陸上植物は多細胞の配偶体世代nと胞子体世代2nを繰り返すという特徴がある（世代交代）。これまでに被子植物を材料として有性生殖の誘導や雌雄性分化の仕組みが調べられてきたが、これらは主に胞子体世代の器官分化を扱った研究であり、配偶体世代の有性生殖誘導の制御機構の解析は材料的な制約のために遅れていた。そこで、陸上植物進化の基部に位置する苔類のモデルであるゼニゴケを用いて、環境依存的な生殖細胞系列決定、可塑的な性分化、遺伝的頑健性を与える性決定機構に関する研究を進めた。
ゼニゴケは実験室環境では遠赤色光補光により、有性生殖を誘導する。遠赤色光を必要としない機能獲得型変異体より、bHLH転写因子MpBONOBOを同定した。この因子が生殖細胞系列を決定するのに必要十分な因子であることを明らかにした。また、シロイヌナズナの相同遺伝子は、花粉における雄原細胞分化に必須な因子であることもわかった。つまり、陸上植物に共通した生殖細胞決定の機構を明らかにし、成果を論文として公表した。
生殖細胞系列決定の下流には雌雄分化がある。雌性分化を制御する転写因子に注目し、逆遺伝学的に遺伝子の機能解析を進めた。雌特異的に発現するFGMYB遺伝子を破壊すると、遺伝的な雌株が雄器托と造精器を分化した。この遺伝子座には、アンチセンス長鎖非翻訳RNAであるSUFがコードされ、雄特異的に発現していた。この遺伝子の破壊雄株は、雄株であるにも関わらず、FGMYBが発現し雌器托と造卵器を分化した。本年度はFGMYBとSUFからなる性分化制御モジュールの機能解析のため、遺伝子のプロモーターや転写物の蓄積に関して実験を進めた。
ゼニゴケは性染色体により遺伝的な性が決定する。ゲノム解析により明らかにされた性染色体上の遺伝子について、遺伝子の構造および発現特異性に関する解析を進め、ゲノム編集株の作出などの実験に着手した。

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

初年度は10月末に採択が通知されたため研究期間が短かったが、研究代表者の研究内容は基盤研究Aを辞退し、本課題に引き継ぐことで研究課題間での連携が果たせた。基盤研究Aを分担していなかった研究者には研究の着手に遅れが生じた。特に形質転換植物を作成して解析する研究は解析するラインの確定に時間を要したため年度内に終了しなかった。このため、研究費の繰り越しを行ったが、その後は基本的に順調に研究が進行している。
生殖細胞系列を決定する転写BONOBOに関する論文を公表することができた。この遺伝子は、配偶体世代の生殖細胞決定に関して陸上植物に保存された機能を有していたことから、遺伝子同定のインパクトは研究開始当初の予想を上回るものであった。ゼニゴケを用いた研究が被子植物研究に対してもブレークスルーとなることを示すことができた。
ゼニゴケは代表者の研究室を中心としてモデル生物としての研究基盤が急速に整備されている。CRISPR-Cas9によるゲノム編集も極めて効率よく行うことができ、更にはgRNAで挟まれた領域の大規模欠失変異体の取得も容易となった。このため、従来では解析が困難であると予想されるようなアンチセンス長鎖非翻訳RNAであるSUFの機能解析もゲノム上で狙った位置で変異を導入することができるようになり、機能に必要な領域を予想よりもはるかに高精度に同定できた。論文化に必要なデータも順調に得ており、2018年度の論文発表が見込まれる。
また、性染色体上の性決定因子の同定に向けた遺伝子破壊も順調にコンストラクトの作成と破壊の作成ができた。2018年度には表現型にもとづく性決定遺伝子の同定が見込まれる。

今後の研究の推進方策

陸上植物進化の基部に位置する苔類のモデルであるゼニゴケを用いて、環境依存的な生殖細胞系列決定、可塑的な性分化、遺伝的頑健性を与える性決定の機構に関する研究を継続する。
環境依存的な生殖細胞系列決定に関しては、BONOBOの環境依存的な発現機構と転写制御標的の研究を推進する。発現制御に関しては、プロモーター領域に変異を導入して発現に対する影響を観察する。また、発現部位の重要性に関しては、組織特異的プロモーターを利用して機能的な観点から解析する。BONOBO転写制御の標的に関しては、これまでのFGMYBの発現制御機構の解析に加え、標的候補遺伝子として同定されたメチル基転移酵素遺伝子の破壊株が関連する表現型を示したため、有性生殖制御に関する未知の低分子化合物の関与の可能性も調査する。
FGMYB-SUFの制御に関しては、長鎖非翻訳RNAであるSUFの機能発現をクロマチン動態制御の観点から解析する。FGMYBの制御標的に関しては、分担者を中心に候補遺伝子の絞り込みと遺伝子破壊による機能的解析を進める。
代表者と分担者が連携し、雌の性染色体（U染色体）上にある遺伝子の破壊を継続する。遺伝的雌株を雄に転換する変異体を同定し、その原因遺伝子を解析する。変異体が得られた場合は、SUF遺伝子に関する制御機能について調べる。

研究成果

• [雑誌論文] Generative Cell Specification Requires Transcription Factors Evolutionarily Conserved in Land Plants (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamaoka Shohei、Nishihama Ryuichi、Yoshitake Yoshihiro、Ishida Sakiko、Inoue Keisuke、Saito Misaki、Okahashi Keitaro、Bao Haonan、Nishida Hiroyuki、Yamaguchi Katsushi、Shigenobu Shuji、Ishizaki Kimitsune、Yamato Katsuyuki T.、Kohchi Takayuki
  • 雑誌名: Current Biology 巻: 28 ページ: 479～486.e5
  • DOI: 10.1016/j.cub.2017.12.053
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Be my baby: patterning toward plant germ cells (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Keiji
  • 雑誌名: Current Opinion in Plant Biology 巻: 41 ページ: 110～115
  • DOI: 10.1016/j.pbi.2017.11.002
  • 査読あり
• [学会発表] 転写因子BONOBOは陸上植物の生殖系列細胞の分化に必要である (2018)
  • 著者名/発表者名: 山岡尚平, 西浜 竜一, 吉竹良洋, 石田咲子, 井上佳祐, 齊藤美咲, 岡橋啓太郎, 包昊南, 西田 浩之, 山口勝司, 重信秀治, 石崎公庸, 大和勝幸, 河内孝之
  • 学会等名: 第59回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Gibberellin-independent functional conservation of DELLA protein in the basal land plant Marchantia polymorpha (2018)
  • 著者名/発表者名: 孫ルイ,井上佳祐,楠竜之介,山岡尚平, 西浜竜一,河内孝之
  • 学会等名: 第59回日本植物生理学会年会
• [学会発表] ゼニゴケ・ゲノムにおける植物ホルモン生合成・シグナル伝達系遺伝子 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山岡尚平, 西浜 竜一, 石崎公庸, 大和勝幸, 河内孝之
  • 学会等名: 日本農芸化学会2018年大会
• [学会発表] The sole auxin receptor gene MpTIR1 is dispensable for cell survival but required for development in the liverwort Marchantia polymorpha (2018)
  • 著者名/発表者名: 鈴木秀政, 加藤大貴, 山岡尚平, 西浜 竜一、河内 孝之
  • 学会等名: 日本農芸化学会2018年大会
• [学会発表] Exploring the physiological functions of gibberellin (GA)-related diterpenes in the liverwortツ?Marchantia polymorpha (2018)
  • 著者名/発表者名: 孫ルイ,井上佳祐,楠竜之介,山岡尚平, 西浜竜一,河内孝之
  • 学会等名: 日本農芸化学会2018年大会
• [学会発表] Light regulated reproduction in Marchantia polymorpha (2018)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Kohchi
  • 学会等名: International Symposium on Plant Photomorphogenesis
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Low-fluence response and far-red high-irradiance response in Marchantia polymorpha are mediated by a sole phytochrome-PIF module (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomotsugu Imahori, Keisuke Inoue, Ryuichi Nishihama, and Takayuki Kohchi
  • 学会等名: International Symposium on Plant Photomorphogenesis
  • 国際学会
• [学会発表] Phototoropin and distinct NPH3/RPT2-LIKE proteins mediate phototropic responses of the liverwort Marchantia polymorpha in single-cell and tissue levels (2018)
  • 著者名/発表者名: Aino Komatsu, Noriyuki Suetsugu, Ryuichi Nishihama, and Takayuki Kohchi
  • 学会等名: International Symposium on Plant Photomorphogenesis
  • 国際学会
• [学会発表] Interaction between MpCDF and MpTPL mediates repression of the photoperiodic growth-phase transition in Marchantia polymorpha (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshihiro Yoshitake, Shohei Yamaoka, Ryuichi Nishihama and Takayuki Kohchi
  • 学会等名: International Symposium on Plant Photomorphogenesis
  • 国際学会
• [学会発表] Functional diversification of evolutionarily conserved regulatory factors for sexual plant reproduction (2018)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Hisanaga, Satoshi Koi, Keitaro Okahashi,Shota Fujimoto, Shohei Yamaoka, Masaki Shimamura, Katsuyuki T. Yamato, Takayuki Kohchi, Keiji Nakajima
  • 学会等名: EMBO Work Shop, New shores in land plant evolution
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Maternally expressed MpKNOX1 triggers embryo development in Marchantia (2018)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Hisanaga, Shota Fujimoto, Keiji Nakajima
  • 学会等名: EMBO Work Shop, New shores in land plant evolution
  • 国際学会
• [学会発表] A bidirectional transcription switch controls sexual differentiation (2018)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Hisanaga, Keitaro Okahashi, Shohei Yamaoka, Ryuichi Nishihama, Masaki Shimamura, Katsuyuki T. Yamato, Takayuki Kohchi, Keiji Nakajima
  • 学会等名: 25th International Conference of Sexual Plant Reproduction
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Maternally expressed MpKNOX1 triggers embryo development in Marchantia (2018)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Hisanaga, Shota Fujimoto, Keiji Nakajima
  • 学会等名: 25th International Conference of Sexual Plant Reproduction
  • 国際学会
• [学会発表] Maternally expressed MpKNOX1 is required for sporophyte development in Marchantia polymorpha (2018)
  • 著者名/発表者名: 久永 哲也、藤本翔大、中島 敬二
  • 学会等名: 第59回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Light regulated induction of sexual reproduction in Marchantia polymorpha (2017)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Kohchi
  • 学会等名: The 65th NIBB Conference Renaissance of Marchantia polymorpha
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] BONOBOs Are Evolutionarily Conserved Transcription Factors for Germ Cell Fate Determination in Land Plants (2017)
  • 著者名/発表者名: Shohei Yamaoka, Ryuichi Nishihama, Yoshihiro Yoshitake, Sakiko Ishida, Keisuke Inoue, Misaki Saito, Keitaro Okahashi, Haonan Bao, Hiroyuki Nishida, Katsushi Yamaguchi, Shuji Shigenobu, Kimitsune Ishizaki, Katsuyuki T. Yamato, Takayuki Kohchi
  • 学会等名: The 65th NIBB Conference Renaissance of Marchantia polymorpha
  • 国際学会
• [学会発表] A MYB transcription factor controls female sexual differentiation in Marchantia polymorpha (2017)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Hisanaga, Keitaro Okahashi, Shohei Yamaoka, Ryuichi Nishihama, Tatsuaki Goh, Takayuki Kohchi, Keiji Nakajima
  • 学会等名: The 65th NIBB Conference Renaissance of Marchantia polymorpha
  • 国際学会
• [学会発表] A long non-coding RNA module for sex differentiation in the liverwort Marchantia polymorpha (2017)
  • 著者名/発表者名: Keitaro Okahashi, Tetsuya Hisanaga, Shohei Yamaoka, Ryuichi Nishihama, Keiji Nakajima, Takayuki Kohchi
  • 学会等名: The 65th NIBB Conference Renaissance of Marchantia polymorpha
  • 国際学会
• [学会発表] The CDF-GI-FKF module regulates photoperiodic growth-phase transition in the liverwortツ?Marchantia polymorpha (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshihiro Yoshitake, Keitaro Nagayama, Shohei Yamaoka, Akane Kubota, Ryuichi Nishihama and Takayuki Kohchi
  • 学会等名: The 65th NIBB Conference Renaissance of Marchantia polymorpha
  • 国際学会
• [学会発表] Ancient functions and regulation of the Marchantia polymorpha protein DELLA before recruited to gibberellin signaling in land plant evolution (2017)
  • 著者名/発表者名: 孫ルイ,井上佳祐,楠竜之介,山岡尚平, 西浜竜一,河内孝之
  • 学会等名: The 65th NIBB Conference Renaissance of Marchantia polymorpha
  • 国際学会
• [学会発表] Evolution of light regulated reproductive growth in plants (2017)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Kohchi
  • 学会等名: Asia and Oceania Conference on Photobiology
  • 国際学会
• [備考] 植物の生殖細胞をつくる鍵因子を発見
  • URL: http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research/research_results/2017/180126_1.html