Evolutionary and molecuar genetic studies to logics in plant development

2016 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, 理学研究科, 准教授 (00432708)
• Project Period (FY): 2013-06-28 – 2018-03-31
• Keywords: ゼニゴケ / オーキシン / 光受容体 / 発生制御

Outline of Annual Research Achievements

陸上植物進化の基部に位置する苔類に属するゼニゴケをモデルとして植物発生の制御ロジックの解明を目指した。ゼニゴケがもつ制御系の単純さを活かし、発生制御と環境応答をつなぐ分子の実体解明、特に、光受容体と概日時計によって制御される栄養成長から生殖成長への相転換、光と植物ホルモンに依存した発生過程、成長に対する光合成シグナリングの分子的制御機構に関して研究を進めた。これまでに成長相転換の鍵の因子となる転写因子を同定した。その上流にはフィトクロムを光受容体、PIF転写因子をシグナル分子とする光質制御系とGI/FKF-CDFモジュールからなる日長制御系が存在した。オーキシンシグナリングの研究では、受容体TIR1が1分子種であることを利用して、オーキシンの植物発生における重要性を評価した。tir1欠損株は外部からのオーキシン投与に対して感受性を一切示さなかったが、死滅することはなく細胞塊としてゆっくりと増殖した。このことから、オーキシンは生存に必須ではないものの、秩序だった発生やパターン形成といった３次元的成長にはきわめて重要な因子であることが明瞭に示された。光による細胞分裂や細胞周期制御研究に関しては、その制御標的となる遺伝子を同定することができた。切断切片からの再分化過程に関しては、従来の観察に加えて、RNA-seq解析からも光とオーキシンがその過程を関与に関与することが支持された。
ゼニゴケの遺伝子アノテーションや遺伝子発現情報の充実のため、データベースを改良し、ゲノム情報を一元的に活用するデータベースを作成した。遺伝子機能解析の研究基盤としてニッカーゼタイプのCas9を用いたオフターゲット効果の軽減、ダブルニッカーゼによる大きな欠失誘導が可能となった。制御系の分子同定や情報統合機構の解析を通じて、陸上環境変動に適応した植物の可塑的な成長・分化を可能にする機構の解明が進んだ。

Current Status of Research Progress

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

Reason

ゲノム編集に代表される研究提案時には存在しなかった実験手法を活用することで、分子遺伝学的な解析に各段の進展があった。特にニッカーゼタイプのCas9を用いて、大きなゲノム領域を欠失する変異体作成が可能となったことの意味は大きい。また、本領域の国際活動支援班との連携が進んだこと、および、昨年度からこの課題をもととする先進ゲノム支援の援助を受けたことにより、ゲノムデータベースの整備が一段と進んだ。これらの整備された実験基盤を活用することによって、突然変異体を用いた機能解析が加速した。また、これまで別々に扱われていた赤色光、青色光、オーキシンの信号伝達といった研究が互いにつながり始めた。更に、領域発足4年目にあたり、本領域の他の計画班員や公募班員との共同研究も進んだ。そのため当初の計画以上に進展してると評価した。

Strategy for Future Research Activity

28年度に得られた成果をもとに研究を継続するとともに、最終年度であることを十分に意識して研究を取りまとめる。また、本領域の特色である数理解析や代謝解析との連携を強化する。計画の変更や遂行上の問題はない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] モナシュ大学(オーストラリア)
  • Country Name: AUSTRALIA
  • Counterpart Institution: モナシュ大学
• [Int'l Joint Research] メンデル研究所(オーストリア)
  • Country Name: AUSTRIA
  • Counterpart Institution: メンデル研究所
• [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] ミネソタ大学/ケンタッキー大学(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: ミネソタ大学/ケンタッキー大学
• [Int'l Joint Research] エジンバラ大学/ケンブリッジ大学/オックスフォード大学(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: エジンバラ大学/ケンブリッジ大学/オックスフォード大学
• [Int'l Joint Research]
  • # of Other Countries: 4
• [Journal Article] Early evolution of the land plant circadian clock (2017)
  • Author(s): Linde Anna-Malin、Eklund D. Magnus、Kubota Akane、Pederson Eric R. A.、Holm Karl、Gyllenstrand Niclas、Nishihama Ryuichi、Cronberg Nils、Muranaka Tomoaki、Oyama Tokitaka、Kohchi Takayuki、Lagercrantz Ulf
  • Journal Title: New Phytologist Volume: 216 Pages: 576～590
  • DOI: 10.1111/nph.14487
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An adenylyl cyclase with a phosphodiesterase domain in basal plants with a motile sperm system (2017)
  • Author(s): Kasahara, M., Suetsugu, N., Urano, Y., Yamamoto, C., Ohmori, M., Takada, Y., Okuda, S., Nishiyama, T., Sakayama, H., Kohchi, T., and Takahashi, F.
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 6 Pages: 39232
  • DOI: doi: 10.1080/09168451.2017.1285688
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Evolutionary origin of phytochrome responses and signaling in land plants (2017)
  • Author(s): Inoue, K., Nishihama, R., and Kohchi, T.
  • Journal Title: Plant Cell Environ. Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: doi: 10.1111/pce.12908
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Marchantia polymorpha: taxonomy, phylogeny, and morphology of a model system (2016)
  • Author(s): Shimamura, M.
  • Journal Title: Plant Cell Physiol. Volume: 57 Pages: 230-256
  • DOI: doi:10.1093/pcp/pcv192
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Evolutionary analysis of iron (Fe) acquisition system in Marchantia polymorpha. (2016)
  • Author(s): Lo, J. C., Tsednee, M., Lo, Y. C., Yang, S. C., Hu, J. M., Ishizaki, K., Kohchi, T., Lee, D. C., and Yeh, K. C.
  • Journal Title: New Phytol. Volume: 211 Pages: 205-209
  • DOI: doi: 10.1111/nph.13922
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An evolutionarily conserved plant RKD factor controls germ cell differentiation (2016)
  • Author(s): Koi, S., Hisanaga, T., Sato, K., Shimamura, M., Yamato, K. T., Ishizaki, K., Kohchi, T., and Nakajima, K.
  • Journal Title: Curr. Biol. Volume: 26 Pages: 1775-1781
  • DOI: DOI: 10.1016/j.cub.2016.05.013
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phytochrome signaling is mediated by PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR in the liverwort Marchantia polymorpha (2016)
  • Author(s): Inoue, K., Nishihama, R., Kataoka, H., Hosaka, M., Manabe, R., Nomoto, M., Tada, Y., Ishizaki, K., and Kohchi, T.
  • Journal Title: Plant Cell Volume: 28 Pages: 1406-1421
  • DOI: 10.1105/tpc.15.01063
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] RPT2/NCH1 subfamily of NPH3-like proteins is essential for the chloroplast accumulation response in land plants (2016)
  • Author(s): Suetsugu, N., Takemiya, A., Kong, S.-G., Higa, T., Komatsu, A., Shimazaki, K. Kohchi, T. and Wada, M.
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA Volume: 113 Pages: 10424-10429
  • DOI: doi:10.1073/pnas.1602151113
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Analysis of MpTIR1-mediated auxin reception and its physiological roles in the liverwort Marchantia polymorpha (2017)
  • Author(s): 鈴木秀政, 加藤大貴, 山岡尚平, 西浜 竜一、河内 孝之
  • Organizer: 日本農芸化学会2016年度大会
  • Place of Presentation: 京都女子大学
  • Year and Date: 2017-03-18 – 2017-03-20
• [Presentation] ゼニゴケの光屈性には成長段階に応じて異なる光シグナル伝達因子が関与する (2017)
  • Author(s): 小松愛乃，末次憲之，西浜竜一，石崎公庸，河内孝之
  • Organizer: 第58回日本植物生理学会年会@鹿児島
  • Place of Presentation: 鹿児島大学
  • Year and Date: 2017-03-16 – 2017-03-18
• [Presentation] Phytohormonal regulation of tissue dedifferentiation and cell-cycle re-entry during regeneration in the liverwort Marchantia polymorpha (2016)
  • Author(s): Sakiko Ishida, Shohei Yamaoka, Ryuichi Nishihama, Takayuki Kohchi
  • Organizer: Auxin 2016
  • Place of Presentation: 中国 三亜
  • Year and Date: 2016-10-20 – 2016-10-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The single-copy auxin receptor gene MpTIR1 regulates various development and differentiation in the liverwort Marchantia polymorpha (2016)
  • Author(s): Hidemasa Suzuki, Hirotaka Kato, Shohei Yamaoka, Ryuichi Nishihama, Takayuki Kohchi
  • Organizer: Auxin 2016
  • Place of Presentation: 中国 三亜
  • Year and Date: 2016-10-20 – 2016-10-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Roles of transcriptional auxin signaling in the liverwort Marchantia polymorpha (2016)
  • Author(s): Takayuki Kohchi, Hirotaka Kato, Hidemasa Suzuki, Minami Katayama, Masaru Kouno, Mayuko Takeda, Sakiko Ishida, Kimitsune Ishizaki, Ryuichi Nishihama
  • Organizer: Auxin 2016
  • Place of Presentation: 中国 三亜
  • Year and Date: 2016-10-20 – 2016-10-25
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The single-copy auxin receptor gene MpTIR1 plays pivotal roles indevelopment of the liverwort Marchantia polymorpha (2016)
  • Author(s): Hidemasa Suzuki, Hirotaka Kato, Shohei Yamaoka, Ryuichi Nishihama, Takayuki Kohchi
  • Organizer: EMBO Workshop New model systems for early land plant evolution
  • Place of Presentation: オーストリア メンデル研究所
  • Year and Date: 2016-06-22 – 2016-06-24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Functional Analysis of the Gibberellin Signaling Module in the Liverwort Marchantia polymorpha (2016)
  • Author(s): Rui Sun, Keisuke Inoue, Ryunosuke Kusunoki, Ryuichi Nishihama, Shohei Yamaoka, Takayuki Kohchi
  • Organizer: EMBO Workshop New model systems for early land plant evolution
  • Place of Presentation: オーストリア メンデル研究所
  • Year and Date: 2016-06-22 – 2016-06-24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Identification of a Raf-like kinase involved in photosynthesis signaling in Marchantia polymorpha (2016)
  • Author(s): Eri Koide, Mika Terai, Yuko Nomura, Izumi Yotsui, Noriyuki Suetsugu, Hirofumi Nakagami, Ryuichi Nishihama, Takayuki Kohchi
  • Organizer: EMBO Workshop New model systems for early land plant evolution
  • Place of Presentation: オーストリア メンデル研究所
  • Year and Date: 2016-06-22 – 2016-06-24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Regulation of cell division pattern by the sole activator-type auxin response factor in Marchantia polymorpha (2016)
  • Author(s): Hirotaka Kato, Kimitsune Ishizaki, Ryuichi Nishihama, Dolf Weijers, Takayuki Kohchi
  • Organizer: EMBO Workshop New model systems for early land plant evolution
  • Place of Presentation: オーストリア メンデル研究所
  • Year and Date: 2016-06-22 – 2016-06-24
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Shared regulatory factors for stem cell maintenance in the simple and complex meristems of land plants (2016)
  • Author(s): Ryuichi Nishihama, Yukie Monden, Hiroyuki Kirita, Kimitsune Ishizaki, Takayuki Kohchi
  • Organizer: EMBO Workshop New model systems for early land plant evolution
  • Place of Presentation: オーストリア メンデル研究所
  • Year and Date: 2016-06-22 – 2016-06-24
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Genome and Genomics in Marchantia polymorpha (2016)
  • Author(s): Takayuki Kohchi, Katsuyuki Yamato, Kimitsune Ishizaki, Shohei Yamaoka, Ryuichi Nishihama, John Bowman
  • Organizer: EMBO Workshop New model systems for early land plant evolution
  • Place of Presentation: オーストリア メンデル研究所
  • Year and Date: 2016-06-22 – 2016-06-24
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The liverwort, Marchantia polymorpha; A powerful model of basal land plants for plant science and biotechnology (2016)
  • Author(s): Kohchi, T.
  • Organizer: 2016 Annual meeting of the Korean Society for Plant Biotechnology
  • Place of Presentation: 韓国プサン
  • Year and Date: 2016-06-09 – 2016-06-10
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 京都大学生命科学研究科 遺伝子特性学分野
  • URL: http://www.plantmb.lif.kyoto-u.ac.jp/
• [Remarks] ゼニゴケゲノムデータベース
  • URL: http://marchantia.info