Eight types of stem cells in the life cycle of the moss Physcomitrella patens

Stem cells self-renew and produce cells that differentiate to become the source of the plant body. The moss Physcomitrella patens forms eight types of stem cells during its life cycle and serves as a useful model in which to explore the evolution of such cells. The common ancestor of land plants is inferred to have been haplontic and to have formed stem cells only in the gametophyte generation. A single stem cell would have been maintained in the ancestral gametophyte meristem, as occurs in extant basal land plants. During land plant evolution, stem cells diverged in the gametophyte generation to form different types of body parts, including the protonema and rhizoid filaments, leafy-shoot and thalloid gametophores, and gametangia formed in moss. A simplex meristem with a single stem cell was acquired in the sporophyte generation early in land plant evolution. Subsequently, sporophyte stem cells became multiple in the meristem and were elaborated further in seed plant lineages, although the evolutionary origin of niche cells, which maintain stem cells is unknown. Comparisons of gene regulatory networks are expected to give insights into the general mechanisms of stem cell formation and maintenance in land plants and provide information about their evolution. P. patens develops at least seven types of simplex meristem in the gametophyte and at least one type in the sporophyte generation and is a good material for regulatory network comparisons. In this review, we summarize recently revealed molecular mechanisms of stem cell initiation and maintenance in the moss. © 2013 Elsevier Ltd

ミズワラビMADS box遺伝子の単離と解析

取得学位：博士(理学)，学位授与番号：博甲第220号，学位授与年月日：平成9年3月31日,学位授与年：199

花期に関与する遺伝子を指標とした交雑起源種の種分化機構の解析

本研究は、モウセンゴケ、コモウセンゴケを両親種とする交雑起源種であるトウカイコモウセンゴケが種として固定する際に、どのような遺伝子発現の再編成が起ったかを明らかにすることを目的として行われた。トウカイニモウセンゴケは、近畿、東海、および北陸に分布している。本研究では、分布の北限から南限までを網羅するように、富山、石川、滋賀、愛知の各集団および、採集後温室・人工気象室で同一環境下で栽培した個体を用いて研究を行った。その結果、以下のことが明らかになった。1.トウカイコモウセンゴケの生活史特性 トウカイコモウセンゴケは、開花時期に関しては全ての集団でほぼ一致して両親種の中間を示したが、開花時の葉の枚数は両親種に比べて同一地域の個体間での幅が大きかった。開花時の葉の枚数はコモウセンゴケ>トウカイコモウセンゴケ>モウセンゴケと開花が早いものほど多く、花期遺伝子の一つであるLFYによる一般的な表現型とは逆の結果が得られた。一方産生する種子の性質に関しては、愛知の集団以外は集団ごとに同じであったが、集団間では異なっていた。2.遺伝的解析 葉緑体DNAの解析から、いずれの集団のトウカイコモウセンゴケも、モウセンゴケを父親、コモウセンゴケを母親として比較的最近生じたこと、また核DNA上のITS1-5.8S rDNA-ITS2領域、シングルコピー遺伝子として知られるatpG遺伝子の解析から、モウセンゴケには1種類、コモウセンゴケには2種類、トウカイコモウセンゴケにはモウセンゴケ各々と全く同じ3種類の配列が存在していることがわかった。また、RT-PCR法による発現解析から、トウカイコモウセンゴケでは両親種由来の3種類の遺伝子のうちのどの遺伝子が発現しているかが異なっている可能性が示唆された。今後、表現型の違いに直接関与する遺伝子を探索し発現を解析することにより、上記の可能性を検証する。This project aimed to clarify what kind of reorganization in the genome and gene expression was occurred in the speciation process of an amphidiplloid-species of hybrid origin, Drosera tokaiensis, of which parents are thought to be D.retundifolia and D.spatulata.D.tokaiensis is distributed in Kinki, Tokai, and Hokunku districts of Japan. We chose to study on four populations, Kosugi (northern limit), Nata, Ryuo, and Taketoyo (southern limit). Life history phenotypes were analyzed in field and in a greenhouse. For genetic analyses, individuals cultured in an incubator were used. Results obtained are the following.1.Life history trait : Flowering time of D.tokaiensis was intermediate of parental species and similar in all populations. The leaf number of D.tokaiensls at the flowering time varied, compare to those of parental species. The average leaf number was the largest in D.spatulata which flowers the earliest, intermediate in D.tokaiensis, and the smallest in D.rotundifolia which flowers last. This is the opposite phenotype of what is expected from the act of LFY, the most studied flowering gene. The seed germination phenotype was differed between populations, but similar within each population expect Taketoyo.Genetic analyses : Both chloroplast and nuclear DNAs sequenced from the four populations of D.tokaiensis were identical. The chloroplast DNA sequences were same as those of D.spatulata. For nuclear DNA, ITS1-5.8S rDNA-ITS2 region and atpG region, there were three different sequences in D.tokaiensis, two of the three were identical to two sequences obtained from D.spatulata and the rest was identical to one sequence obtained from D.rotundifolia. These suggest that D.tokaiensis recently originated from D.spatulata as mother and D.rotundifolia as father. An RT-PCR experiment showed that the different copy of the gene might expressed in different individuals of D.tokaiensis.研究課題/領域番号:14340266, 研究期間(年度):2002-2004出典：「花期に関与する遺伝子を指標とした交雑起源種の種分化機構の解析」研究成果報告書　課題番号14340266 (KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）)　　　本文データは著者版報告書より作

造卵器・造精器から見た陸上植物における生殖器官の進化

金沢大学理工研究域生命理工学系本研究は、ヒメツリガネゴケのジーントラップラインを用いて、造卵器・造精器形成に関与する遺伝子を探索し、被子植物のモデル植物であるシロイヌナズナと比較することが目的である。前年度までに、3600ラインのジーントラップラインから、約300ラインの生殖茎頂特異的にGUS染色されるラインが得られていた。本年度は、この300ラインについて造卵器・造精器の発生段階をおって詳細にGUS染色のパターンを観察した。生殖器官の発生段階を、1)平層分裂以前の10細胞以下の原基(3段階)、2)平層分裂ののち成熟するまでの造精器(4段階)、3)平層分裂ののち成熟するまでの造卵器(6段階)に分け、各ラインについての染色パターンを調べた。その結果、原基で発現しているラインが29、造精器で発現しているラインが190、造卵器で発現しているラインが125存在していた。造精器では、時期または組織特異的な発現がみられたものは3ラインのみであったが、造卵器では、全体で発現しているラインは64%で、残りのラインは、頸細胞、腹部、卵細胞、頸口細胞など部位特異的な発現を示した。このように、特異的な発現をするラインが多数存在することは、造卵器の方が造精器より多くの種類の細胞からなり、各々の細胞へと分化するための特異的機能を持つ遺伝子が多数存在することを示唆しているのかもしれない。また、本研究と同一のジーントラップラインでの栄養器官での発現は全体の4%であることが報告されている(日渡ら2001)が、本研究での生殖器官特異的な染色を示すラインは8.3%であり、約2倍にあたる。シロイヌナズナのジーントラップラインでは、生殖器官での発現は栄養器官での発現の1割程度であることから、コケ植物では被子植物と比較して、生殖器官で働く遺伝子の割合が多いことが明らかになった。研究課題/領域番号:13874119, 研究期間(年度):2001 – 2002出典：「造卵器・造精器から見た陸上植物における生殖器官の進化」研究成果報告書　課題番号13874119（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所））（ https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-13874119/ ）を加工して作

Antheridial development in the moss physcomitrella patens: Implications for understanding stem cells in mosses

金沢大学理工研究域自然システム学系Stem cells self-renew and produce precursor cells that differentiate to become specialized cell types. Land plants generate several types of stem cells that give rise to most organs of the plant body and whose characters determine the body organization. The moss Physcomitrella patens forms eight types of stem cells throughout its life cycle. Under gametangium-inducing conditions, multiple antheridium apical stem cells are formed at the tip of the gametophore and each antheridium apical stem cell divides to form an antheridium. We found that the gametophore apical stem cell, which typically forms leaf and stem tissues, changes to become a new type of stem cell, which we term the antheridium initial stem cell. This antheridium initial stem cell produces multiple antheridium apical stem cells, resulting in a cluster of antheridia at the tip of gametophore. This is the first report of a land plant stem cell directly producing another type of stem cell during normal development. Notably, the antheridium apical stem cells are distally produced from the antheridium initial stem cell, similar to the root cap stem cells of vascular plants, suggesting the use of similar molecular mechanisms and a possible evolutionary relationship. © 2017 The Author(s) Published by the Royal Society. All rights reserved

シダ類であるリチャードミズワラビ (Ceratopteris richardii) からのMADS遺伝子の単離と系統の解析

[論文] Articl

造卵器・造精器形成に基づく陸上植物基部大系統の質的分子系統解析

金沢大学理工研究域生命理工学系To compare the developmental genes for antheridium and archegonium in all basal groups of land plants, we observed their developmental process in detail in hornworts and then performed a comprehensive search for gene expression. Recently, hornworts have been shown to be a basal group of bryophytes, and a model strain has been established. We found the developmental process of the antheridium chamber which overturned the textbook\u27s description and found similarities in the early developmental process of both gametangia.About half of the genes specifically expressed in the archegonium meristem of hornworts had no ortholog in liverwort, Physcomitrium patens, and Arabidopsis thaliana. We obtained candidate genes commonly expressed in the reproductive organs of all three bryophyte groups, one of which was unique to bryophytes.陸上植物の基部系統群全てが持つ造卵器、造精器の発生遺伝子を比較を目的として、近年コケ植物の基部系統群であることが明らかになったツノゴケを中心としたコケ植物での発生過程の詳細な解明と、発現する遺伝子群の網羅的探索を行った。その結果、これまで教科書で示されていた発生過程の知見を覆す発見や、従来知られていなかった造精器と造卵器の初期発生過程の類似性を見出した。ツノゴケ類の造卵器メリステムで特異的に発現する遺伝子の半数程度がゼニゴケ、ヒメツリガネゴケ、シロイヌナズナにオーソログが存在しないものであった。３種類のコケ植物の生殖器官で共通に発現している遺伝子の候補を得、うち１遺伝子はコケ植物に特有であった本研究で明らかにした造精器の発生過程は、これまで50年以上も信じられていた教科書的事実を覆すものであり、教科書の記述を書き換えるとともに、ツノゴケ類の形態及び発生過程の再検討を促すものである。この発見により、これまでシダ植物の基部系統群の発生と比較されることもあった発生過程がツノゴケには存在しないことがわかった。また造精器と造卵器の初期発生過程の類似性は、両者の発生で同じメカニズムが使われている可能性を示している。研究課題/領域番号:18K06376, 研究期間(年度):2018-04-01 – 2022-03-31出典：研究課題「造卵器・造精器形成に基づく陸上植物基部大系統の質的分子系統解析」課題番号18K06376（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/ja/report/KAKENHI-PROJECT-18K06376/18K06376seika/）を加工して作