陸上植物進化を基軸とした発生ロジックの解明

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Multidimensional Exploration of Logics of Plant Development
• Project/Area Number: 25113009
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 河内 孝之 京都大学, 生命科学研究科, 教授 (40202056)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 嶋村 正樹 広島大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (00432708)
• Project Period (FY): 2013-06-28 – 2018-03-31
• Keywords: 植物発生生物学 / オーキシン / 苔類ゼニゴケ / 陸上植物進化

Outline of Annual Research Achievements

今年度は、以下のオーキシン依存的転写制御系の成果他を公表した。植物ホルモンであるオーキシンは植物の成長と発生を多面的に制御する。オーキシン受容体TIR1/AFBsにオーキシンが結合することが転写リプレッサーであるAUX/IAAsを分解に導き、AUX/IAAsから解放された転写因子ARFsがオーキシン依存的に転写を制御するというスキームが提唱されている。このシステムの進化的起源は不明であった。ゼニゴケは単一の TIR1/AFB (MpTIR1)、単一の AUX/IAA (MpIAA)、３分子種のARFs (MpARF1, MpARF2, and MpARF3）をもっている。タンパク質分解を受けるために必要な領域にドミナント安定化変異型をもつMpIAAを発現するゼニゴケはオーキシン耐性を示し、オーキシン応答レポーターのオーキシン依存的発現を抑制した。次に、薬剤依存的に上記IAA変異を発現することで任意にオーキシン応答を抑制することができる変異体を作出し、各発生段階におけるオーキシン応答が抑制されるかを調べた。この制御系は無性芽発生、葉状体発生、背腹性、器官発生、屈性などさまざまな生理応答に関与することがわかった。一過的発現によるレポーターアッセイによってARF1は転写活性化能、ARF2は転写抑制能を有することがわかった。３つのARFとIAAに異なる親和性をもつ相互作用が検出された。つまり、オーキシン依存的転写制御系を構成する因子に冗長性がなく最小限のセットであっても多様なオーキシン応答を引き起こすことができること、この転写制御系が発生制御に重要な役割を果たすこと、ひいては陸上植物ボディプランの成立にとって重要な発明であることが示された。
上記の項目に加えて、ゼニゴケの転写因子ネットワークの全体像、光応答、背腹性決定、細胞間隙形成といったテーマについても順調にデータが蓄積した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

ゼニゴケを用いた実験系が著しく改善され、研究の進展速度は当初の予想を上回っている。ゲノム情報の解明は遺伝的な冗長性の低さを確認できただけでなく、実験のデザインにも大きく貢献している。この研究加速の要因は、ゲノム編集技術が研究に利用できるようになったことである。CRISPR/Casによる変異導入系は、半数体が優占的かつ１細胞からの再生が容易なゼニゴケと極めて相性がよい。コドンを最適化したCas9を用いることで、ゲノム編集効率が著しく改善され、従来は考えられなかったアプローチも可能となっている。また、条件的な変異誘導系も確立した。このような技術的なブレークスルーが多数見えられており、当初の実験手法で想定された計画を上回る進展が見られた。
また、ゼニゴケの生理応答や発生過程の理解が深まったことを背景に研究が質的にも大きく向上している。このような背景のもの、成果を取りまとめ、論文として公表する過程も基本的に順調に進んだ。
新学術領域研究では、班員間の共同研究も推奨されている。ゼニゴケを用いる班員も増加し、共同研究も活発化した。実験技術の講習会は領域内のみならず、国際活動支援班の企画としても実施することができた。学術誌におけるゼニゴケの特集号企画(Plant Cell Physiol. 2016)やゼニゴケの解説記事発表（Curr. Biol. 2016）などを実施した。モデル生物としてのゼニゴケの活用は国内のみならず国際的に広がりを見せている。

Strategy for Future Research Activity

基本的には27年度に得られた成果の取りまとめと進行中の研究を継続する。ゲノム編集、条件的発現や条件的変異誘導、さまざまな可視化レポーター系、次世代シーケンスといった新しい手法を十分に取り入れて、研究を更に加速する。
具体的には、27年度に明らかにしたオーキシン制御系の受容体TIR1、転写因子ARF1、ARF２を詳細に機能解析し、制御メカニズムの解析のモデリングを行う。
成長相転換の制御の研究ではBONOBO遺伝子を調節する仕組みについて、日長経路のCDFおよび光質経路のPIF転写因子の制御実体を調べる。細胞周期制御に関しては光と糖に対するサイクリンD遺伝子の応答と、植物ホルモンの関連を調べる。背腹性制御の解析では、始原細胞の選択 に注目して解析を進める。上記の項目を個別計画研究として実施することに加えて、成果を領域内の共同研究にも展開する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Monash University(オーストラリア)
  • Country Name: AUSTRALIA
  • Counterpart Institution: Monash University
• [Int'l Joint Research] University of Osnabruck/University of Ulm/University of Wurzburg(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: University of Osnabruck/University of Ulm/University of Wurzburg
• [Int'l Joint Research] Gregor Mendel Institute(オーストリア)
  • Country Name: AUSTRIA
  • Counterpart Institution: Gregor Mendel Institute
• [Int'l Joint Research] University of Oxford/University of Cambridge/University of Edinburgh(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: University of Oxford/University of Cambridge/University of Edinburgh
• [Int'l Joint Research] 国立台湾大学(台湾)
  • Country Name: その他の国・地域
  • Counterpart Institution: 国立台湾大学
• [Int'l Joint Research]
  • # of Other Countries: 3
• [Journal Article] Conditional gene expression/deletion systems for Marchantia polymorpha using its own heat-shock promoter and the Cre/loxP-mediated site-specific recombination (2016)
  • Author(s): Nishihama, R., Ishida, S., Urawa, H., Kamei, Y., and Kohchi, T.
  • Journal Title: Plant Cell Physiol. Volume: 57 Pages: 271-280
  • DOI: 10.1093/pcp/pcv102
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] The naming of names: guidelines for gene nomenclature in Marchantia (2016)
  • Author(s): Bowman, J. L., Araki, T., Arteaga-Vazquez, M. A., Berger, F., Dolan, L., Haseloff, J., Ishizaki, K., Kyozuka, J., Lin, S., Nagasaki, H., Nakagami, H., Nakajima, K., Nakamura, Y., Ohashi-Ito, K., Sawa, S., Shimamura, M., Solano, R., Tsukaya, H., Ueda, T., Watanabe, Y., Yamato, K. T., Zachgo, S. and Kohchi, T.
  • Journal Title: Plant Cell Physiol. Volume: 57 Pages: 257-261
  • DOI: 10.1093/pcp/pcv193
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Molecular genetic tools and techniques for Marchantia polymorpha research (2016)
  • Author(s): Ishizaki, K., Nishihama, R., Yamato, K. T., and Kohchi, T.
  • Journal Title: Plant Cell Physiol. Volume: 57 Pages: 262-270
  • DOI: 10.1093/pcp/pcv097
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Transcriptional Framework of Male Gametogenesis in the Liverwort Marchantia polymorpha L. (2016)
  • Author(s): Higo, A., Niwa, M., Yamato, K. T., Yamada, L., Sawada, H., Sakamoto, T., Kurata, T., Shirakawa,M., Endo, M., Shigenobu, S., Yamaguchi, K., Ishizaki, K., Nishihama, R., Kohchi, T. and Araki, T.
  • Journal Title: Plant Cell Physiol. Volume: 57 Pages: 325-338
  • DOI: 10.1093/pcp/pcw005
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Profiling and characterization of small RNAs in the liverwort, Marchantia polymorpha, belonging to the first diverged land plants (2016)
  • Author(s): Tsuzuki, M., Nishihama, R., Ishizaki, K.,Kurihara, Y., Matsui, M., Bowman, J. L., Kohchi, T., Hamada, T., and Watanabe, Y.
  • Journal Title: Plant Cell Physiol. Volume: 57 Pages: 359-372
  • DOI: 10.1093/pcp/pcv182
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Identification of miRNAs and their targets in the liverwort Marchantia polymorpha by integrating RNA-Seq and degradome analyses (2016)
  • Author(s): Lin, P., Lu, C., Shen, B., Lee, G., Bowman, J. L., Arteaga-Vazquez, M. A., Liu, L. D., Hong, S., Lo, C., Su, G., Kohchi, T., Ishizaki, K., Zachgo, S., Althoff, F., Takenaka, M., and Lin, S.
  • Journal Title: Plant Cell Physiol. Volume: 57 Pages: 339-358
  • DOI: 10.1093/pcp/pcw020
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] RSL class I genes controlled the development of epidermal structures in the common ancestor of land plants (2016)
  • Author(s): Proust, H., Honkanen, S., Jones, V., Morieri, G., Prescott, H., Kelly, S., Ishizaki, K., Kohchi, T., and Dolan, L.
  • Journal Title: Curr. Biol. Volume: 26 Pages: 93-99
  • DOI: 10.1016/j.cub.2015.11.042
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Auxin-mediated transcriptional system with a minimal set of components is critical for morphogenesis through the life cycle in Marchantia polymorpha (2015)
  • Author(s): Kato, H., Ishizaki, K., Kouno, M., Shirakawa, M., Bowman, J. L., Nishihama, R., and Kohchi, T.
  • Journal Title: PLOS Genet. Volume: 11 Pages: e1005084
  • DOI: 10.1371/journal.pgen.1005084
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Phytochrome-mediated regulation of cell division and growth during regeneration and sporeling development in the liverwort Marchantia polymorpha (2015)
  • Author(s): Nishihama, R., Ishizaki, K., Hosaka, M., Matsuda, Y., Kubota, A., and Kohchi, T.
  • Journal Title: J. Plant Res. Volume: 128 Pages: 407-421
  • DOI: 10.1007/s10265-015-0724-9
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Development of gateway binary vector series with four different selection markers for the liverwort Marchantia polymorpha (2015)
  • Author(s): Ishizaki, K., Nishihama, R., Ueda, M., Inoue, K., Ishida, S., Nishimura, Y., Shikanai, T., and Kohchi, T.
  • Journal Title: PLOS One Volume: 10 Pages: e0138876
  • DOI: doi:10.1371/journal.pone.0138876
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Auxin produced by the IPA pathway is essential for liverwort development and acts as an evolutionary conserved regulator of dormancy in land plants (2015)
  • Author(s): Eklund, D. M., Ishizaki, K., Flores-Sandoval, E., Kikuchi, S., Takebayashi, Y., Tsukamoto, S., Hirakawa, Y., Kato, H., Kouno, M., Bhalerao, R. P., Lagercrantz, U., Kasahara, H., Kohchi, T., Bowman, J. L.
  • Journal Title: Plant Cell Volume: 27 Pages: 1650-1669
  • DOI: 10.​1105/​tpc.​15.​00065
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Stomatal Guard Cells Co-opted an Ancient ABA-Dependent Desiccation Survival System to Regulate Stomatal Closure (2015)
  • Author(s): Lind, C., Dreyer, I., López-Sanjurjo, E. J., von Meyer, K., Ishizaki, K., Kohchi, T., Lang, D., Zhao, Y., Kreuzer, I., Al-Rasheid, K. A., Ronne, H., Reski, R., Zhu, J. K., Geiger, D., Hedrich, R.
  • Journal Title: Curr. Biol. Volume: 25 Pages: 928-935
  • DOI: 10.1016/j.cub.2015.01.067
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Diversification of histone H2A variants during plant evolution (2015)
  • Author(s): Kawashima, T., Lorković, Z. J., Nishihama, R., Ishizaki, K., Axelsson, E., Yelagandula, R., Kohchi, T., Berger, F.
  • Journal Title: Tren. Plant Sci. Volume: 20 Pages: 419-425
  • DOI: 10.1016/j.tplants.2015.04.005
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Raf-type protein kinase-mediated photosynthesis signal transduction in the liverwort Marchantia polymorpha (2016)
  • Author(s): 西浜竜一、小出絵理、寺井三佳、野村有子、四井いずみ、末次憲之、中神弘史、河内孝之
  • Organizer: 日本植物生理学会
  • Place of Presentation: 岩手大学（盛岡市）
  • Year and Date: 2016-03-18 – 2016-03-20
• [Presentation] 苔類ゼニゴケの青色光依存的背腹性決定における青色光受容体フォトトロピン下流因子の探索 (2016)
  • Author(s): 小松愛乃、芦原悠紀子、寺井三佳、末次憲之、西浜竜一、石崎公庸、河内孝之
  • Organizer: 日本植物生理学会
  • Place of Presentation: 岩手大学（盛岡市）
  • Year and Date: 2016-03-18 – 2016-03-20
• [Presentation] 苔類ゼニゴケおける単一のオーキシン受容体遺伝子MpTIR1による 多面的な生長調節の解析 (2016)
  • Author(s): 鈴木秀政、加藤大貴、山岡尚平、西浜竜一、河内孝之
  • Organizer: 日本植物生理学会
  • Place of Presentation: 岩手大学（盛岡市）
  • Year and Date: 2016-03-18 – 2016-03-20
• [Presentation] Multiple regualtions by a single phytochrome and a single phytochrome-interacting factor in Marchantia polymorpha (2015)
  • Author(s): Takayuki Kohchi
  • Organizer: Asia and Oceania Conference on Photobiology
  • Place of Presentation: Academia Sinica (Taiwan)
  • Year and Date: 2015-11-15 – 2015-11-18
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Transcriptional activities and protein interactions of AUXIN RESPONSE FACTORs from Marchantia polymorpha (2015)
  • Author(s): 加藤大貴、鈴木秀政、山岡尚平、西浜竜一、石崎公庸、河内孝之
  • Organizer: 日本発生生物学会
  • Place of Presentation: 筑波大学（つくば市）
  • Year and Date: 2015-06-02 – 2015-06-05
• [Remarks] 京都大学生命科学研究科 遺伝子特性学分野 紹介動画
  • URL: http://www.lif.kyoto-u.ac.jp/j/?post_type=labos&p=152
• [Remarks] 日本（京都大学）発のモデル生物 ゼニゴケ
  • URL: http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research/events_news/department/seimei/news/2015/160315_1.html