近縁種交配体ゲノムによる植物個体死の定義および制御系の理解

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 21K19266
• 研究機関: 奈良先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 伊藤 寿朗 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (90517096)
• 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): 2021-07-09 – 2023-03-31
• キーワード: 植物幹細胞 / 一年草 / 老化 / 個体死

研究実績の概要

植物は、動物と比べて強い幹細胞増殖能を持ち、環境ストレスに対して非常に強い回復力、再生能力を持つため、植物にとっての「個体死」は、はっきりと定義されていない。本提案では、一年草と多年草の茎頂と腋芽分裂組織に着目して、多年草の腋芽分裂組織が「死なない仕組み」とその他の分裂組織が開花結実後に「死ぬ仕組み」を明らかにすることで、個体死に至る制御系を解明し、植物の個体死そのものを再定義することを目的としている。まずは、一年草であるシロイヌナズナの茎頂が死ぬ機構解明を進めた。時間軸に沿ったシロイヌナズナ茎頂のトランスクリプトーム解析を行い、活性酸素種関連遺伝子の発現が茎頂幹細胞の加齢にともない変化し、プログラム細胞死関連遺伝子が誘導されることを見いだした。トランスクリプトームデータと呼応して、活性酸素種であるROSのうち、過酸化水素の量がシロイヌナズナの茎頂部において加齢に伴い上昇すること、同時にフリーラジカルである超酸化物―スーパーオキシドアニオン量は減少することを見いだした。さらに過酸化水素の外的な塗布により幹細胞の決定にかかわる遺伝子の発現が抑制されることを見いだした。また、幹細胞が異常増殖する突然変異体においては、幹細胞の加齢と死のプロセスが遅れることも見いだした。これらのデータに基づいて、一年草シロイヌナズナの茎頂における活性酸素シグナル系が幹細胞のプログラム細胞死を制御しているモデルを提案し、論文として発表した (Wang,Y.et al. 2022)。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

一年草シロイヌナズナの茎頂における活性酸素シグナル系が幹細胞のプログラム細胞死を制御しているモデルを提案し、論文として発表した (Wang,Y., Shirakawa, M., and Ito, T. International Journal of Molecular Sciences, 23, 3864. doi.org/10.3390/ijms23073864, 2022)。また、幹細胞の終結過程、終末分化、環境からのインプットなどについての論文をPNASE (118, e2102826118, doi:10.1073/pnas.2102826118, 2021), NATURE COMMUNICATIONS (12, 3480 doi: https://doi.org/10.1038/s41467-021-23766-w, 2021)誌などに報告した。

今後の研究の推進方策

今後、これらの経路が多年草ミヤマハタザオにおいてどのように制御されているのか、活性酸素シグナルがどのように幹細胞の決定因子の発現に作用するのかの制御機構を解析する。萌芽研究として、一年草と多年草の茎頂と腋芽分裂組織に着目することで、多年草の腋芽分裂組織が「死なない仕組み」とその他の分裂組織が開花結実後に「死ぬ仕組み」を明らかにする。

次年度使用額が生じた理由

分子遺伝学的解析、顕微鏡観察に必要とされる試薬や消耗器具の一部分を、新規購入することなく既存のストックでまかなうことができたため、計画より少ない
支出で結果が得られた。その分支出が予定より少なくなった。計画しているプログラム細胞死関連遺伝子の機能解析について、遺伝子組換え体の作成および、さらなる網羅的な遺伝子発現制御、特にエピジェネティックの解析には、多くの試薬購入を必要とする。特に、ChIP-seqアッセイでは、キットや抗体の購入が必要である。次年度使用額は、その実験に関する試薬購入や論文作成の費用などにあてる。

備考

SSHラボステイの受入：2021年8月4日(水)- 6日(金)　3日間
国際会議”INTEGRATIVE EPIGENETICS IN PLANTS”をメインオーガナイザーとしてオンライン開催：2021年12月14日(火)

研究成果

• [国際共同研究] 南京大学/韶関学院(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 南京大学/韶関学院
• [雑誌論文] Dynamic Changes in Reactive Oxygen Species in the Shoot Apex Contribute to Stem Cell Death in Arabidopsis thaliana (2022)
  • 著者名/発表者名: Wang Yukun、Shirakawa Makoto、Ito Toshiro
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 23 ページ: 3864～3864
  • DOI: 10.3390/ijms23073864
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The Cell Differentiation of Idioblast Myrosin Cells: Similarities With Vascular and Guard Cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Shirakawa Makoto、Tanida Mai、Ito Toshiro
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 12 ページ: -
  • DOI: 10.3389/fpls.2021.829541
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Robust control of floral meristem determinacy by position-specific multifunctions of KNUCKLES (2021)
  • 著者名/発表者名: Shang Erlei、Wang Xin、Li Tinghan、Guo Fengfei、Ito Toshiro、Sun Bo
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 118 ページ: -
  • DOI: 10.1073/pnas.2102826118
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Expression profiling of H3K27me3 demethylase genes during plant development and in response to environmental stress in Arabidopsis (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi Nobutoshi、Ito Toshiro
  • 雑誌名: Plant Signaling & Behavior 巻: 16 ページ: -
  • DOI: 10.1080/15592324.2021.1950445
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Homology-Based Interactions between Small RNAs and Their Targets Control Dominance Hierarchy of Male Determinant Alleles of Self-Incompatibility in Arabidopsis lyrata (2021)
  • 著者名/発表者名: Yasuda Shinsuke、Kobayashi Risa、Ito Toshiro、Wada Yuko、Takayama Seiji
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 22 ページ: 6990～6990
  • DOI: 10.3390/ijms22136990
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] H3K27me3 demethylases alter HSP22 and HSP17.6C expression in response to recurring heat in Arabidopsis (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi Nobutoshi、Matsubara Satoshi、Yoshimizu Kaori、Seki Motohide、Hamada Kouta、Kamitani Mari、Kurita Yuko、Nomura Yasuyuki、Nagashima Kota、Inagaki Soichi、Suzuki Takamasa、Gan Eng-Seng、To Taiko、Kakutani Tetsuji、Nagano Atsushi J.、Satake Akiko、Ito Toshiro
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41467-021-23766-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] JMJ Histone Demethylases Balance H3K27me3 and H3K4me3 Levels at the HSP21 Locus during Heat Acclimation in Arabidopsis (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi Nobutoshi、Ito Toshiro
  • 雑誌名: Biomolecules 巻: 11 ページ: 852～852
  • DOI: 10.3390/biom11060852
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] シロイヌナズナの花弁脱離を制御するジャスモン酸を介したエピゲノム制御機構 (2022)
  • 著者名/発表者名: 古田 優生, 山本 春香, 山口 暢俊, 伊藤 寿朗
  • 学会等名: 第63回 日本植物生理学会年会
• [学会発表] 父方インプリント遺伝子欠損株における種子および胚乳発達の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 海老原 諒子, 下保 瑶己, 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44回日本分子生物学会年会
• [学会発表] シロイヌナズナのNAC102転写因子による花弁脱離の制御機構の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 古田 優生, 山口 暢俊, 伊藤 寿朗
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会年会
• [学会発表] ケミカルバイオロジーによる植物の脱春化を促進する低分子化合物の探索とその構造 (2021)
  • 著者名/発表者名: 福地 正弥, 白川 一, 伊藤 寿朗
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 花メリステムにおけるSUPERMANのステージ特異的下流遺伝子の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 森下 史, 山口 暢俊, 伊藤 寿朗
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 生体防御を担うミロシン細胞の分化に関わる新規転写因子WASABI MAKERの機能解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 谷田 舞, 白川 一, 伊藤 寿朗
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会年会
• [備考] 奈良先端科学技術大学院大学 バイオサイエンス領域 花発生分子遺伝学研究室
  • URL: https://bsw3.naist.jp/ito/