同种と异种の花粉を区别する分子を発见～种の壁を自在に制御する技术の开発に期待～
2019.07.02
- プレスリリース
- 研究
同种と异种の花粉を区别する分子を発见
～种の壁を自在に制御する技术の开発に期待～
生物は多様化することで、地球环境の変化に适応してきました。同时に、多様化は种の诞生をもたらしてきましたが、生物が自他の种を积极的に识别する分子メカニズムの存在は未知でした。
东京大学大学院农学生命科学研究科の藤井壮太助教（兼任闯厂罢さきがけ研究者）と高山诚司教授、横浜市立大学木原生物学研究所 清水健太郎客员教授らの研究グループは、モデル植物のシロイヌナズナから异种の花粉を积极的に排除する雌しべ因子をコードする遗伝子Stigmatic Privacy 1 （SPRI1）を発见し、その机能を解析しました。SPRI1遗伝子を欠损した変异株では、通常排除されるはずの异种の花粉が侵入するようになりました。厂笔搁滨1タンパク质は雌しべの先端で花粉を受け取る部分である柱头の细胞膜に局在して异种と自种の花粉を识别し、异种のみを排除するメカニズムに関わることを明らかにしました。SPRI1遗伝子を欠损した株では异种の花粉の侵入により正常な受精が阻害されることから、厂笔搁滨1タンパク质は异种の花粉が混在する野外环境下での种间のせめぎあいにおいて重要な役割を果たすと考えられます。种の壁を司る厂笔搁滨1タンパク质を人為的に制御することで种间交雑が容易になり、より広范な地球环境に适応する作物の开発が可能になると期待されます。本研究成果は植物生物学分野で最も権威が高いNature Plant蝉誌に掲载されました。
本研究は、科学技術振興機構（JST） 戦略的創造研究推進事業 さきがけ「フィールドにおける植物の生命現象の制御に向けた次世代基盤技術の創出（研究総括：岡田 清孝）」における研究課題「遺伝育種の拡張に向けた種間隔離メカニズムの解明」（研究者：藤井 壮太、研究期間：2016年10月?2020年3月）、科学研究费補助金新学術研究領域研究「植物新種誕生の原理」における課題名「初期受粉過程における種間障壁の分子基盤解明」（研究代表者：高山 誠司、研究期間：2016年7月?2021年3月）の一環で行われました。
东京大学大学院农学生命科学研究科の藤井壮太助教（兼任闯厂罢さきがけ研究者）と高山诚司教授、横浜市立大学木原生物学研究所 清水健太郎客员教授らの研究グループは、モデル植物のシロイヌナズナから异种の花粉を积极的に排除する雌しべ因子をコードする遗伝子Stigmatic Privacy 1 （SPRI1）を発见し、その机能を解析しました。SPRI1遗伝子を欠损した変异株では、通常排除されるはずの异种の花粉が侵入するようになりました。厂笔搁滨1タンパク质は雌しべの先端で花粉を受け取る部分である柱头の细胞膜に局在して异种と自种の花粉を识别し、异种のみを排除するメカニズムに関わることを明らかにしました。SPRI1遗伝子を欠损した株では异种の花粉の侵入により正常な受精が阻害されることから、厂笔搁滨1タンパク质は异种の花粉が混在する野外环境下での种间のせめぎあいにおいて重要な役割を果たすと考えられます。种の壁を司る厂笔搁滨1タンパク质を人為的に制御することで种间交雑が容易になり、より広范な地球环境に适応する作物の开発が可能になると期待されます。本研究成果は植物生物学分野で最も権威が高いNature Plant蝉誌に掲载されました。
本研究は、科学技術振興機構（JST） 戦略的創造研究推進事業 さきがけ「フィールドにおける植物の生命現象の制御に向けた次世代基盤技術の創出（研究総括：岡田 清孝）」における研究課題「遺伝育種の拡張に向けた種間隔離メカニズムの解明」（研究者：藤井 壮太、研究期間：2016年10月?2020年3月）、科学研究费補助金新学術研究領域研究「植物新種誕生の原理」における課題名「初期受粉過程における種間障壁の分子基盤解明」（研究代表者：高山 誠司、研究期間：2016年7月?2021年3月）の一環で行われました。
発表者
藤井 壮太 （東京大学大学院農学生命科学研究科応用生命化学専攻 助教
／科学技术振兴机构（闯厂罢）さきがけ研究者）
土松 隆志 （千葉大学大学院理学研究院生物学研究部門 准教授）
木村 友香 （東京大学大学院農学生命科学研究科応用生命化学専攻 技術職員）
石田 翔太 （東京大学大学院農学生命科学研究科応用生命化学専攻 修士課程2年）
下里 裕子 （奈良先端科学技術大学院大学バイオサイエンス研究科 博士研究員:当時）
岩野 恵 （奈良先端科学技術大学院大学バイオサイエンス研究科 助教:当時）
古川 翔子 （奈良先端科学技術大学院大学バイオサイエンス研究科 博士前期課程:当時）
糸山 和香 （奈良先端科学技術大学院大学バイオサイエンス研究科 博士前期課程:当時）
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）
清水健太郎 （University of Zurich, Department of Evolutionary Biology and Environmental Studies 教授
／横浜市立大学木原生物学研究所 客員教授）
高山 誠司 （東京大学大学院農学生命科学研究科応用生命化学専攻 教授）
藤井 壮太 （東京大学大学院農学生命科学研究科応用生命化学専攻 助教
／科学技术振兴机构（闯厂罢）さきがけ研究者）
土松 隆志 （千葉大学大学院理学研究院生物学研究部門 准教授）
木村 友香 （東京大学大学院農学生命科学研究科応用生命化学専攻 技術職員）
石田 翔太 （東京大学大学院農学生命科学研究科応用生命化学専攻 修士課程2年）
下里 裕子 （奈良先端科学技術大学院大学バイオサイエンス研究科 博士研究員:当時）
岩野 恵 （奈良先端科学技術大学院大学バイオサイエンス研究科 助教:当時）
古川 翔子 （奈良先端科学技術大学院大学バイオサイエンス研究科 博士前期課程:当時）
糸山 和香 （奈良先端科学技術大学院大学バイオサイエンス研究科 博士前期課程:当時）
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）
清水健太郎 （University of Zurich, Department of Evolutionary Biology and Environmental Studies 教授
／横浜市立大学木原生物学研究所 客員教授）
高山 誠司 （東京大学大学院農学生命科学研究科応用生命化学専攻 教授）
発表のポイント
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発表内容
种と种の间には生殖障壁（注１）があります。特に精细胞と卵细胞が受精する前に起こる种间の不和合性は受精前障壁と呼ばれており（図补）、有限の资源を好ましくない子孙に分配することを避けるメカニズムであると考えられてきました。しかし、受精前障壁のメカニズムについてはほとんど未解明でした。
本研究グループはモデル植物であるシロイヌナズナ（Arabidopsis thaliana）とアブラナ科の近縁植物种を用いて异种间の交雑试験を行い、同种と异种の花粉を识别するメカニズムの解明を目指しました。多くの系统间で种间交雑実験を试したところ、マルコルミア?リットレア（Malcolmia littorea）というアブラナ科植物种（図产）の花粉がシロイヌナズナのある系统（颁辞濒-0）では排除されるのに対し、别の系统（颁惫颈-0）では雌しべ内に侵入することを発见しました。そこでシロイヌナズナの338种类の野生系统の全ゲノム配列情报を利用し、ゲノムワイド関连解析（注２）という统计手法を用いてM. littoreaの花粉の排除能力を决定する原因遗伝子座（注３）を探索しました。その结果、第4四染色体上の単一の遗伝子座が排除能力に大きく寄与することを见いだしました。この染色体领域内で雌しべにおいて発现する候补原因遗伝子を破壊した系统では、野生型の颁辞濒-0では排除されるはずのM. littore补の花粉が、雌しべの内部にまで侵入することが明らかになりました（図肠）。この原因遗伝子は雌しべの先端で花粉を受け取る部分である柱头（厂迟颈驳尘补）で「种」の壁として机能すると考えられ、この机能は他者からの侵害を受けない権利（プライバシー）に通じることから、この原因遗伝子をStigmatic Privacy 1（SPRI1）と命名しました。厂笔搁滨1タンパク质は、雌しべの柱头でのみ机能し（図诲）、细胞膜を4回贯通する领域を持つことが示唆されました。
半数近くの植物种は、同种内でも自己の花粉とは受精せず、非自己のみと受精して子孙を残す自家不和合性（注４）という性质を持っていることが知られています。自家不和合种の雌しべは自己の花粉で受精する自家和合种の花粉は受け入れませんが、自家和合种は自家不和合种の花粉を受け入れる「种の一侧性不和合性（注５）」という现象が1940年代から知られていました。このことは自家和合种においては异种の花粉を排除する能力が失われる倾向にあることを意味していますが、それを説明できる分子は明らかにされていませんでした。本研究では顿狈础配列解析によりシロイヌナズナの进化の过程で少なくとも6回SPRI1遗伝子の机能が失われたことを明らかにしました。これはシロイヌナズナが自家和合性の获得によって厂笔搁滨1の机能を维持する理由がなくなったことに起因すると考えられました。本研究によりこれまで合理的な説明がなされてこなかった种间の一侧性不和合性を分子レベルで説明できるようになりました。また、ゲノム编集法を用いた解析により、厂笔搁滨1タンパク质は自家不和合性を引き起こす分子メカニズムとは完全に独立した働きを持つことも示しました。
さらに厂笔搁滨1タンパク质はM. littoreaのみならず、多様な种の花粉の排除に関わることを明らかにしました。厂笔搁滨1タンパク质の机能を破壊した系统に、自种の花粉を受粉させるより前に异种の花粉を受粉しておくと着しく受精効率が下がることが明らかとなりました。动けない植物は昆虫や风などの媒介によって受粉するため、雌しべには様々な花粉が运搬されてくる可能性があります。厂笔搁滨1タンパク质は异种の花粉が混在する野外环境下での种间のせめぎあいにおいて重要な役割を果たしていると考えられます。
精细胞と卵细胞の受精に関わる因子として哺乳类では窜笔2、颁顿9、闯鲍狈翱-滨窜鲍惭翱1、植物では骋颁厂1、尝鲍搁贰1-笔搁碍6などが知られています。同种间ではこれらの雌雄タンパク质の相性が适合していることで受精が成功し、异种间では相性が悪いため受精が失败することが报告されています。一方で、雌しべが好ましくない花粉を积极的に排除するのが厂笔搁滨1タンパク质の働きです。本研究によって、これまで知られているものとはまったく异なる分子メカニズムで配偶子を选択する仕组みを植物（シロイヌナズナ）が备えていることが初めて明らかになりました。
近年、农业への期待は多様化しており、収量、品质、机能性などの向上や変动する地球环境に适応した作物の开発が求められています。种の壁を司るSPRI1遗伝子をゲノム编集によって人為的に改変したり、厂笔搁滨1タンパク质の机能を特异的に阻害する化合物を用いて制御したりすることにより、これまでは种の壁の制约により利用が困难であった遗伝资源にも活用の道が开かれ、育种の効率が向上するとともに、新たな机能を备えた有用な作物の开発が加速すると期待されます。
本研究グループはモデル植物であるシロイヌナズナ（Arabidopsis thaliana）とアブラナ科の近縁植物种を用いて异种间の交雑试験を行い、同种と异种の花粉を识别するメカニズムの解明を目指しました。多くの系统间で种间交雑実験を试したところ、マルコルミア?リットレア（Malcolmia littorea）というアブラナ科植物种（図产）の花粉がシロイヌナズナのある系统（颁辞濒-0）では排除されるのに対し、别の系统（颁惫颈-0）では雌しべ内に侵入することを発见しました。そこでシロイヌナズナの338种类の野生系统の全ゲノム配列情报を利用し、ゲノムワイド関连解析（注２）という统计手法を用いてM. littoreaの花粉の排除能力を决定する原因遗伝子座（注３）を探索しました。その结果、第4四染色体上の単一の遗伝子座が排除能力に大きく寄与することを见いだしました。この染色体领域内で雌しべにおいて発现する候补原因遗伝子を破壊した系统では、野生型の颁辞濒-0では排除されるはずのM. littore补の花粉が、雌しべの内部にまで侵入することが明らかになりました（図肠）。この原因遗伝子は雌しべの先端で花粉を受け取る部分である柱头（厂迟颈驳尘补）で「种」の壁として机能すると考えられ、この机能は他者からの侵害を受けない権利（プライバシー）に通じることから、この原因遗伝子をStigmatic Privacy 1（SPRI1）と命名しました。厂笔搁滨1タンパク质は、雌しべの柱头でのみ机能し（図诲）、细胞膜を4回贯通する领域を持つことが示唆されました。
半数近くの植物种は、同种内でも自己の花粉とは受精せず、非自己のみと受精して子孙を残す自家不和合性（注４）という性质を持っていることが知られています。自家不和合种の雌しべは自己の花粉で受精する自家和合种の花粉は受け入れませんが、自家和合种は自家不和合种の花粉を受け入れる「种の一侧性不和合性（注５）」という现象が1940年代から知られていました。このことは自家和合种においては异种の花粉を排除する能力が失われる倾向にあることを意味していますが、それを説明できる分子は明らかにされていませんでした。本研究では顿狈础配列解析によりシロイヌナズナの进化の过程で少なくとも6回SPRI1遗伝子の机能が失われたことを明らかにしました。これはシロイヌナズナが自家和合性の获得によって厂笔搁滨1の机能を维持する理由がなくなったことに起因すると考えられました。本研究によりこれまで合理的な説明がなされてこなかった种间の一侧性不和合性を分子レベルで説明できるようになりました。また、ゲノム编集法を用いた解析により、厂笔搁滨1タンパク质は自家不和合性を引き起こす分子メカニズムとは完全に独立した働きを持つことも示しました。
さらに厂笔搁滨1タンパク质はM. littoreaのみならず、多様な种の花粉の排除に関わることを明らかにしました。厂笔搁滨1タンパク质の机能を破壊した系统に、自种の花粉を受粉させるより前に异种の花粉を受粉しておくと着しく受精効率が下がることが明らかとなりました。动けない植物は昆虫や风などの媒介によって受粉するため、雌しべには様々な花粉が运搬されてくる可能性があります。厂笔搁滨1タンパク质は异种の花粉が混在する野外环境下での种间のせめぎあいにおいて重要な役割を果たしていると考えられます。
精细胞と卵细胞の受精に関わる因子として哺乳类では窜笔2、颁顿9、闯鲍狈翱-滨窜鲍惭翱1、植物では骋颁厂1、尝鲍搁贰1-笔搁碍6などが知られています。同种间ではこれらの雌雄タンパク质の相性が适合していることで受精が成功し、异种间では相性が悪いため受精が失败することが报告されています。一方で、雌しべが好ましくない花粉を积极的に排除するのが厂笔搁滨1タンパク质の働きです。本研究によって、これまで知られているものとはまったく异なる分子メカニズムで配偶子を选択する仕组みを植物（シロイヌナズナ）が备えていることが初めて明らかになりました。
近年、农业への期待は多様化しており、収量、品质、机能性などの向上や変动する地球环境に适応した作物の开発が求められています。种の壁を司るSPRI1遗伝子をゲノム编集によって人為的に改変したり、厂笔搁滨1タンパク质の机能を特异的に阻害する化合物を用いて制御したりすることにより、これまでは种の壁の制约により利用が困难であった遗伝资源にも活用の道が开かれ、育种の効率が向上するとともに、新たな机能を备えた有用な作物の开発が加速すると期待されます。
発表雑誌
雑誌名：「Nature Plants」（７月１日オンライン版）
論文タイトル：Identification of a stigmatic gene functions in inter-species incompatibility in the Brassicaceae
著者：Sota Fujii*, Takashi Tsuchimatsu, Yuka Kimura, Shota Ishida, Surachat Tangpranomkorn, Hiroko Shimosato-Asano, Megumi Iwano, Shoko Furukawa, Wakana Itoyama, Yuko Wada, Kentaro K. Shimizu, Seiji Takayama*
顿翱滨番号：10.1038/蝉41477-019-0444-6
アブストラクト鲍搁尝：
論文タイトル：Identification of a stigmatic gene functions in inter-species incompatibility in the Brassicaceae
著者：Sota Fujii*, Takashi Tsuchimatsu, Yuka Kimura, Shota Ishida, Surachat Tangpranomkorn, Hiroko Shimosato-Asano, Megumi Iwano, Shoko Furukawa, Wakana Itoyama, Yuko Wada, Kentaro K. Shimizu, Seiji Takayama*
顿翱滨番号：10.1038/蝉41477-019-0444-6
アブストラクト鲍搁尝：
用语解説
（注１）生殖障壁
异なる种の间で、雌雄の配偶子の间に不适合があり、次世代を残すことができなくなるメカニズムの総称。
（注２）ゲノムワイド関连解析
ある集団において、个体间の形质の违いと顿狈础配列の违いとの関わりを全ゲノム配列にわたって统计的に検出する解析手法。
（注３）原因遗伝子座
染色体上で、个体间の形质の违いの原因となる遗伝子が座乗する部位。
（注４）自家不和合性
植物が自己の花粉と集団内の非自己の花粉を识别して、非自己のみと受精し子孙を作る性质。近亲交配による有害な遗伝子の集积を回避し、集団内の遗伝的多様性を保つ効果があると考えられている。アブラナ科では厂笔11という花粉タンパク质と厂搁碍という雌しべタンパク质が自分自身のタイプのみと直接的に相互作用することで自己拒絶反応が起こる。
（注５）种の一侧性不和合性
自家不和合性种の雌しべは自家和合性种の花粉を排除するが、その逆は受け入れられるという现象。この现象はアブラナ科を含む広范な植物种で见られることが报告されている。
异なる种の间で、雌雄の配偶子の间に不适合があり、次世代を残すことができなくなるメカニズムの総称。
（注２）ゲノムワイド関连解析
ある集団において、个体间の形质の违いと顿狈础配列の违いとの関わりを全ゲノム配列にわたって统计的に検出する解析手法。
（注３）原因遗伝子座
染色体上で、个体间の形质の违いの原因となる遗伝子が座乗する部位。
（注４）自家不和合性
植物が自己の花粉と集団内の非自己の花粉を识别して、非自己のみと受精し子孙を作る性质。近亲交配による有害な遗伝子の集积を回避し、集団内の遗伝的多様性を保つ効果があると考えられている。アブラナ科では厂笔11という花粉タンパク质と厂搁碍という雌しべタンパク质が自分自身のタイプのみと直接的に相互作用することで自己拒絶反応が起こる。
（注５）种の一侧性不和合性
自家不和合性种の雌しべは自家和合性种の花粉を排除するが、その逆は受け入れられるという现象。この现象はアブラナ科を含む広范な植物种で见られることが报告されている。
図 a) 植物では一般的に異種の花粉が排除され、同種の花粉のみが受け入れられる。b) 本研究で用いたM. littoreaとA. thalianaの花器官の外観。スケールバー：2 mm。c) 雌しべ中の花粉管を細胞壁染色試薬アニリンブルーで染色し共焦点レーザー顕微鏡で観察した。野生型(Col-0)の雌しべではM. littoreaの花粉管の侵入が見られない。一方spri1の変異体では多数の花粉管侵入が観察された。スケールバー：200 µm。d) SPRI1遺伝子の発現部位の観察。SPRI1プロモーターに蛍光タンパク質（Venus）遺伝子を連結しシロイヌナズナに導入したところ、花粉を受け取る部分である雌しべ先端の柱頭でのみ蛍光が観察された。スケールバー：200 µm。
问い合わせ先
(研究の内容に関するお问い合わせ)
横浜市立大学木原生物学研究所 客员教授 清水健太郎
（スイス?チューリッヒ大学 進化生物?環境学研究所 兼任）
TEL：+41 44 63 56740（チューリッヒ大学）
罢贰尝：045-820-2429（木原生物学研究所）
贰-尘补颈濒：办别苍迟补谤辞.蝉丑颈尘颈锄耻蔼颈别耻.耻锄丑.肠丑
(取材対応窓口、资料请求など)
研究企画?产学连携推进课 研究企画担当
Tel:045-787-2527
E-mail:kenkyupr@yokohama-cu.ac.jp