シロイヌナズナが自殖へと进化した仕组みを解明～花粉遗伝子に生じた二重変异のシナジー効果による二段阶での制御メカニズム～
2020.09.30
- プレスリリース
- 研究
シロイヌナズナが自殖へと进化した仕组みを解明
～花粉遗伝子に生じた二重変异のシナジー効果による二段阶での制御メカニズム～
研究成果のポイント
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概要
植物の生殖过程には自己?非自己の花粉を认识することで子孙を残すべき花粉を选别する「自家不和合性*1」という仕组みがあります。シロイヌナズナは进化の过程でこの自家不和合性を失い、自身の花粉で子孙を残す「自家和合性」の种（しゅ）へと変化してきましたが、その详细な进化の道筋は不明でした。
横浜市立大学木原生物学研究所 清水健太郎 客員教授（チューリッヒ大学 教授兼任）および東北大学大学院生命科学研究科の渡辺正夫教授らの研究グループは、三重大学、テキサス工科大学、明治大学、東京大学、大阪教育大学との共同研究により、植物研究のモデル生物であるシロイヌナズナが自身の花粉で子孫（種子）を残す「自殖」へと進化した原因が花粉で機能するたった1個のSCR*2遗伝子の2种类の変异にあり、ゲノム情报と転写の二段阶による変异のシナジー効果*3で制御されていることを明らかにしました。
本成果は、2020年9月11日、スイス科学誌「Frontiers in Plant Science」（電子版）に掲載されました。本研究は文部科学省科学研究费補助金、日本学術振興会科学研究费、スイス科学基金の支援を受けて行われました。
横浜市立大学木原生物学研究所 清水健太郎 客員教授（チューリッヒ大学 教授兼任）および東北大学大学院生命科学研究科の渡辺正夫教授らの研究グループは、三重大学、テキサス工科大学、明治大学、東京大学、大阪教育大学との共同研究により、植物研究のモデル生物であるシロイヌナズナが自身の花粉で子孫（種子）を残す「自殖」へと進化した原因が花粉で機能するたった1個のSCR*2遗伝子の2种类の変异にあり、ゲノム情报と転写の二段阶による変异のシナジー効果*3で制御されていることを明らかにしました。
本成果は、2020年9月11日、スイス科学誌「Frontiers in Plant Science」（電子版）に掲載されました。本研究は文部科学省科学研究费補助金、日本学術振興会科学研究费、スイス科学基金の支援を受けて行われました。
研究の背景
自ら动いて移动することができない植物は、様々な环境に适応するために、生殖过程において遗伝的多様性を维持することが重要です。そのためには、自身の花粉で子孙を残す「自殖」ではなく、同种他个体の花粉と子孙を残す「他殖」が必要であり、それを促进するための遗伝的机构として、『自家不和合性』があります。これは、自己花粉を排除し非自己花粉で受粉?受精するという遗伝的システムで、様々な植物种が有しています。
アブラナ科植物には、キャベツ、ハクサイ、ダイコンのような多くの野菜が属し、二倍体种の多くは自家不和合性を有しています。しかしながら、同じアブラナ科に属するモデル植物であるシロイヌナズナは自身の花粉で子孙を残すことができます。なぜシロイヌナズナは自殖性（自家和合性）になったのか、自家和合性への进化にはどのようなことが起きたのかと言うことは、この研究のパイオニアであるダーウィンも着目していたものの、その原因は谜でした。
アブラナ科植物には、キャベツ、ハクサイ、ダイコンのような多くの野菜が属し、二倍体种の多くは自家不和合性を有しています。しかしながら、同じアブラナ科に属するモデル植物であるシロイヌナズナは自身の花粉で子孙を残すことができます。なぜシロイヌナズナは自殖性（自家和合性）になったのか、自家和合性への进化にはどのようなことが起きたのかと言うことは、この研究のパイオニアであるダーウィンも着目していたものの、その原因は谜でした。
研究の成果
本研究グループはこれまでの研究で、シロイヌナズナが自家不和合性を失った原因が花粉で机能する遗伝子SCRの逆位に原因の一端があることを突き止めました。しかしながら、自殖性への変化の全体像が解明されたわけではなく、今回、SCR遗伝子の転写制御机构にも原因があることを発见し、ゲノム内の遗伝子情报とそれを写しとるための転写机构の二段阶でのシナジー効果によって自家不和合性を失う変异が安定化していることを明らかにしました。このことから、シロイヌナズナが他殖から自殖へと进化した原因は、自家不和合性を司る键遗伝子（SCR）のゲノム情报だけでなく、その転写机构にも変异が生じており、2重のロック机构が机能していることを见出すとともに、新たな自殖性への进化仮説を提唱することができました（図）。
将来への展望として、今まで不可能であったモデル生物での自家不和合性研究を可能にするとともに、アブラナ科野菜の品种改良の効率を高めるための基础研究が飞跃的に発展することが期待できます。
将来への展望として、今まで不可能であったモデル生物での自家不和合性研究を可能にするとともに、アブラナ科野菜の品种改良の効率を高めるための基础研究が飞跃的に発展することが期待できます。
図. シロイヌナズナの自殖への進化モデル図
アブラナ科共通祖先種は自家不和合性を有しており、そこから分岐したハクサンハタザオ（A. halleri）は現在においてもそれを受け継ぎ維持している（図左側）。それに対して、シロイヌナズナ（A. thaliana）は、進化の過程においてSCRタンパク質をコードするエキソン領域と転写の制御領域にそれぞれ変異が生じ、自家不和合性を失い自殖性になったと考えられる（図右側）。
アブラナ科共通祖先種は自家不和合性を有しており、そこから分岐したハクサンハタザオ（A. halleri）は現在においてもそれを受け継ぎ維持している（図左側）。それに対して、シロイヌナズナ（A. thaliana）は、進化の過程においてSCRタンパク質をコードするエキソン領域と転写の制御領域にそれぞれ変異が生じ、自家不和合性を失い自殖性になったと考えられる（図右側）。
用语説明
*1 自家不和合性：近亲の交雑を続けることによる个体の弱体化を防ぎ、集団の均一化を避けるための机构。雌雄が正常であるにもかかわらず、自己の花粉を认识?拒絶することで、受精には至らない现象。アブラナ科植物では、自己认识を司る因子が♀侧?♂侧ともに明らかになっており、それぞれ、受容体型キナーゼ?リガンドタンパク质からなる。これらは、个体ごとに构造の异なる多型性を有しており、♀侧因子（受容体型キナーゼ）と♂侧因子（リガンドタンパク质）が同一个体由来であった场合には、互いに结合することで、めしべ细胞内に自己花粉拒絶のシグナルを伝えることができる。逆に♀侧因子と♂侧因子が异なる场合には、これらが结合できないために、受粉?受精が正常に行われ、种子を作ることができる。
*2 SCR：アブラナ科自家不和合性の♂侧原因タンパク质。花粉表面に付着した小型のタンパク质で、受容体である♀侧原因タンパク质厂搁碍と结合する。厂笔11とも呼ばれる。
*3 シナジー効果：自家和合性に変异する过程において、SCR遗伝子の「エキソン2领域の逆位」と「転写を司る制御领域」が、相乗的に机能することで、自家和合性形质を安定させている。このSCR遗伝子で起きた2つの変异で生じる効果をシナジー効果と呼んでいる。
*2 SCR：アブラナ科自家不和合性の♂侧原因タンパク质。花粉表面に付着した小型のタンパク质で、受容体である♀侧原因タンパク质厂搁碍と结合する。厂笔11とも呼ばれる。
*3 シナジー効果：自家和合性に変异する过程において、SCR遗伝子の「エキソン2领域の逆位」と「転写を司る制御领域」が、相乗的に机能することで、自家和合性形质を安定させている。このSCR遗伝子で起きた2つの変异で生じる効果をシナジー効果と呼んでいる。
论文情报
题目： Double-locking mechanism of self-compatibility in Arabidopsis thaliana: the synergistic effect of transcriptional depression and disruption of coding region in the male specificity gene
著者： Keita Suwabe, Kaori Nagasaka, Endang Ayu Windari, Chihiro Hoshiai, Takuma Ota, Maho Takada, Ai Kitazumi, Hiromi Masuko-Suzuki, Yasuaki Kagaya, Kentaro Yano, Takashi Tsuchimatsu, Kentaro K. Shimizu, Seiji Takayama, Go Suzuki & Masao Watanabe
笔头着者情报：諏访部圭太、叁重大学大学院生物资源学研究科
雑誌：闯辞耻谤苍补濒： Frontiers in Plant Science, 11: 576140
DOI:
著者： Keita Suwabe, Kaori Nagasaka, Endang Ayu Windari, Chihiro Hoshiai, Takuma Ota, Maho Takada, Ai Kitazumi, Hiromi Masuko-Suzuki, Yasuaki Kagaya, Kentaro Yano, Takashi Tsuchimatsu, Kentaro K. Shimizu, Seiji Takayama, Go Suzuki & Masao Watanabe
笔头着者情报：諏访部圭太、叁重大学大学院生物资源学研究科
雑誌：闯辞耻谤苍补濒： Frontiers in Plant Science, 11: 576140
DOI:
