植物の多細胞体制進化の鍵となったゲノム進化の特定

金沢大学医薬保健研究域医学系学際科学実験センター遺伝子研究施設ヒメツリガネゴケ、イヌカタヒバの全ゲノムショットガンシークエンスリード断片配列データから相同遺伝子の配列を探索、構造を予測し、データベースから探索した相同遺伝子の配列ととも遺伝子系統樹を再構築するシステムを作成した。系統解析については、基礎生物学研究所生物進化研究室と共同で進め、被子植物で発生に関わる遺伝子を含む460遺伝子ファミリーについて系統解析を行った。結果として、シロイヌナズの発生に関わる遺伝子の約80%についてヒメツリガネゴケでもオーソログ候補が見つかり陸上植物進化の初期から保存されていることがわかった。さらに、遺伝子ファミリーを構成する遺伝伝子が、系統の分岐後に系統毎に遺伝子数を増加させている例が転写因子などに多数見つかった。また、ほとんどの系統で数が少数に維持されている遺伝子群は、細胞周期、細胞骨格、クロマチン修飾、光シグナル伝達に関わる因子に多かった。こうした遺伝子は、植物の生命活動維持に本質的に関わる物であって、ヒメツリガネゴケでは少数しかないが、被子植物の系統では多数に増えているような遺伝子が2倍体の多細胞体制の進化、特に2倍体の複雑化に関与していると予想される。上記系統解析で浮かび上がって来た植物ホルモン、ジベレリン信号伝達系について、ヒメツリガネゴケでは、被子植物と同様のジベレリン信号伝達系は働いていない事を明らかにした。5\u27SAGEに加え、計画班「下等植物の進化・多様性に関するゲノム研究」と共同で2倍体1ライブラリー1倍体4ライブラリーについて454システムを用いた3\u27末端配列決定を行い、各ライブラリーについて約40万個のmRNAの3\u27末端配列を決定した。このデータと、国際コンソーシアムとJGIと共同で進めたヒメツリガネゴケ概要ゲノム上の遺伝子を対応づけることで2倍体特異的に発現している遺伝子の同定を進めつつある。研究課題/領域番号:18017010, 研究期間(年度):2006 – 2007出典：「植物の多細胞体制進化の鍵となったゲノム進化の特定」研究成果報告書　課題番号18017010（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-18017010/)を加工して作

植物の多細胞体制進化の鍵となったゲノム進化の特定

金沢大学 学際科学実験センターヒメミカヅキモ、シャジクモは、陸上植物に近縁な藻類であり、ヒメミカヅキモは生活環を通じて単細胞性であるが、シャジクモはn世代だけが多細胞体制を作る。n, 2n両世代で多細胞体制を作る陸上植物への進化を解明するため、この2種でEST解析を進めた。昨年度決定したヒメミカヅキモNIES-67&68株 栄養増殖ステージに加え、A2 ヒメミカヅキモNIES-67株(接合型プラス)性分化誘導ステージ;A3 ヒメミカヅキモNIES-68株(接合型マイナス)性分化誘導ステージ;の完全長cDNAライブラリーを作製し各1万9200クローンについて両端からのESTシークエンスを行った。これにより合計116, 694配列のESTが得られた。この配列を以前から得られていたESTとともにアセンブルし10 620個のcontigを得た。シャジクモについては、B2 シャジクモ生殖器官形成直前ステージ;B3 シャジクモ受精直前ステージの完全長cDNAライブラリーを作製し合計73, 388配列のESTが得られた。また、ヒメツリガネゴケの受精卵の第一分裂に必要なPpLFY転写因子は陸上植物の2倍体の多細胞体制獲得に関与しているかもしれないのでその相同遺伝子をシャジクモから単離した。さらにヒメミカヅキモの形質転換の条件を検討し、安定な株を単離できるようにし、ESTから得られた候補遺伝子の機能解析を進めている。これらの結果は、今後、さらに新型シーケンサーを用いたdeepシーケンシング、ゲノム配列の決定を行い、多細胞体制獲得の鍵が何であったかを解明する基盤となる。研究課題/領域番号:20017013, 研究期間(年度):2008 – 200

植物の多細胞体制進化の鍵となったゲノム進化の特定

金沢大学学際科学実験センターヒメミカヅキモ、シャジクモは、陸上植物に近縁な藻類であり、ヒメミカヅキモは生活環を通じて単細胞性であるが、シャジクモはn世代だけが多細胞体制を作る。n, 2n両世代で多細胞体制を作る陸上植物への進化を解明するため、この2種でEST解析を進めた。昨年度決定したヒメミカヅキモNIES-67&68株 栄養増殖ステージに加え、A2 ヒメミカヅキモNIES-67株(接合型プラス)性分化誘導ステージ;A3 ヒメミカヅキモNIES-68株(接合型マイナス)性分化誘導ステージ;の完全長cDNAライブラリーを作製し各1万9200クローンについて両端からのESTシークエンスを行った。これにより合計116, 694配列のESTが得られた。この配列を以前から得られていたESTとともにアセンブルし10 620個のcontigを得た。シャジクモについては、B2 シャジクモ生殖器官形成直前ステージ;B3 シャジクモ受精直前ステージの完全長cDNAライブラリーを作製し合計73, 388配列のESTが得られた。また、ヒメツリガネゴケの受精卵の第一分裂に必要なPpLFY転写因子は陸上植物の2倍体の多細胞体制獲得に関与しているかもしれないのでその相同遺伝子をシャジクモから単離した。さらにヒメミカヅキモの形質転換の条件を検討し、安定な株を単離できるようにし、ESTから得られた候補遺伝子の機能解析を進めている。これらの結果は、今後、さらに新型シーケンサーを用いたdeepシーケンシング、ゲノム配列の決定を行い、多細胞体制獲得の鍵が何であったかを解明する基盤となる。研究課題/領域番号:20017013, 研究期間(年度):2005出典：「植物の多細胞体制進化の鍵となったゲノム進化の特定」研究成果報告書　課題番号20017013（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-20017013/)を加工して作

Drop on a Bent Fibre

Inspired by the huge droplets attached on cypress tree leaf tips after rain, we find that a bent fibre can hold significantly more water in the corner than a horizontally placed fibre (typically up to three times or more). The maximum volume of the liquid that can be trapped is remarkably affected by the bending angle of the fibre and surface tension of the liquid. We experimentally find the optimal included angle ($\sim {36}{^\circ}$) that holds the most water. Analytical and semi-empirical models are developed to explain these counter-intuitive experimental observations and predict the optimal angle. The data and models could be useful for designing microfluidic and fog harvesting devices

An Agrobacterium-mediated stable transformation technique for the hornwort model Anthoceros agrestis

Despite their key phylogenetic position and their unique biology, hornworts have been widely overlooked. Until recently there was no hornwort model species amenable to systematic experimental investigation. Anthoceros agrestis has been proposed as the model species to study hornwort biology. We have developed an Agrobacterium-mediated method for the stable transformation of A. agrestis, a hornwort model species for which a genetic manipulation technique was not yet available. High transformation efficiency was achieved by using thallus tissue grown under low light conditions. We generated a total of 274 transgenic A. agrestis lines expressing the β-glucuronidase (GUS), cyan, green, and yellow fluorescent proteins under control of the CaMV 35S promoter and several endogenous promoters. Nuclear and plasma membrane localization with multiple color fluorescent proteins was also confirmed. The transformation technique described here should pave the way for detailed molecular and genetic studies of hornwort biology, providing much needed insight into the molecular mechanisms underlying symbiosis, carbon-concentrating mechanism, RNA editing and land plant evolution in general. Keywords: Anthoceros; development; evolution; hornworts; transformatio

Genome assembly and annotation ofArabidopsis halleri, a model for heavy metal hyperaccumulation and evolutionary ecology

The self-incompatible species Arabidopsis halleri is a close relative of the self-compatible model plant Arabidopsis thaliana. The broad European and Asian distribution and heavy metal hyperaccumulation ability makes A. halleri a useful model for ecological genomics studies.We used long-insert mate-pair libraries to improve the genome assembly of the A. halleri ssp.gemmifera Tada mine genotype (W302) collected from a site with high contamination by heavy metals in Japan. After five rounds of forced selfing, heterozygosity was reduced to 0.04%, which facilitated subsequent genome assembly. Our assembly now covers 196 Mb or 78% of the estimated genome size and achieved scaffold N50 length of 712 kb. To validate assembly and annotation, we used synteny of A. halleri Tada mine with a previously published high quality reference assembly of a closely related species, Arabidopsis lyrata. Further validation of the assembly quality comes from synteny and phylogenetic analysis of the HEAVY METAL ATPASE4 (HMA4) and METAL TOLERANCE PROTEIN1 (MTP1) regions using published sequences from European A. halleri for comparison. Three tandemly duplicated copies of HMA4, key gene involved in cadmium and zinc hyperaccumulation, were assembled on a single scaffold.The assembly will enhance the genome-wide studies of A. halleri as well as the allopolyploid Arabidopsis kamchatica derived from A. lyrata and A. halleri

Chloroplast acquisition without the gene transfer in kleptoplastic sea slugs, Plakobranchus ocellatus

Some sea slugs sequester chloroplasts from algal food in their intestinal cells and photosynthesize for months. This phenomenon, kleptoplasty, poses a question of how the chloroplast retains its activity without the algal nucleus. There have been debates on the horizontal transfer of algal genes to the animal nucleus. To settle the arguments, this study reported the genome of a kleptoplastic sea slug, Plakobranchus ocellatus, and found no evidence of photosynthetic genes encoded on the nucleus. Nevertheless, it was confirmed that light illumination prolongs the life of mollusk under starvation. These data presented a paradigm that a complex adaptive trait, as typified by photosynthesis, can be transferred between eukaryotic kingdoms by a unique organelle transmission without nuclear gene transfer. Our phylogenomic analysis showed that genes for proteolysis and immunity undergo gene expansion and are up-regulated in chloroplast-enriched tissue, suggesting that these molluskan genes are involved in the phenotype acquisition without horizontal gene transfer

Digital Gene Expression Profiling by 5′-End Sequencing of cDNAs during Reprogramming in the Moss Physcomitrella patens

Stem cells self-renew and repeatedly produce differentiated cells during development and growth. The differentiated cells can be converted into stem cells in some metazoans and land plants with appropriate treatments. After leaves of the moss Physcomitrella patens are excised, leaf cells reenter the cell cycle and commence tip growth, which is characteristic of stem cells called chloronema apical cells. To understand the underlying molecular mechanisms, a digital gene expression profiling method using mRNA 5′-end tags (5′-DGE) was established. The 5′-DGE method produced reproducible data with a dynamic range of four orders that correlated well with qRT-PCR measurements. After the excision of leaves, the expression levels of 11% of the transcripts changed significantly within 6 h. Genes involved in stress responses and proteolysis were induced and those involved in metabolism, including photosynthesis, were reduced. The later processes of reprogramming involved photosynthesis recovery and higher macromolecule biosynthesis, including of RNA and proteins. Auxin and cytokinin signaling pathways, which are activated during stem cell formation via callus in flowering plants, are also activated during reprogramming in P. patens, although no exogenous phytohormone is applied in the moss system, suggesting that an intrinsic phytohormone regulatory system may be used in the moss

Genome of the pitcher plant <i>Cephalotus </i>reveals genetic changes associated with carnivory

Carnivorous plants exploit animals as a nutritional source and have inspired long-standing questions about the origin and evolution of carnivory-related traits. To investigate the molecular bases of carnivory, we sequenced the genome of the heterophyllous pitcher plant Cephalotus follicularis, in which we succeeded in regulating the developmental switch between carnivorous and non-carnivorous leaves. Transcriptome comparison of the two leaf types and gene repertoire analysis identified genetic changes associated with prey attraction, capture, digestion and nutrient absorption. Analysis of digestive fluid proteins from C. follicularis and three other carnivorous plants with independent carnivorous origins revealed repeated co-options of stress-responsive protein lineages coupled with convergent amino acid substitutions to acquire digestive physiology. These results imply constraints on the available routes to evolve plant carnivory