RNA-seq法を用いた単純肝葉植物Pellia endiviifolia sp.Bの雄雌生殖細胞における異なる発現遺伝子の同定

The identification of differentially expressed genes in male and female gametophytes of simple thalloid liverwort Pellia endiviifolia sp. B using an RNA-seq approach.

• Izabela Sierocka
• Sylwia Alaba
• Artur Jarmolowski
• Wojciech M Karlowski
• Zofia Szweykowska-Kulinska

抄録

主な結論:

本研究では、単純性肝属植物の雄性配偶体と雌性配偶体の遺伝子発現の違いを、生育期と生殖期を区別して明らかにした。Pellia endiviifoliaは、単純性肝属であり、ツノゴケやコケとともに、現存する最古の陸上植物を代表する植物である。ゲノムおよび機能研究のための分類群のサンプリングが限られているため、これらの植物の進化を支配するプロセスの理解が妨げられている。RNAシークエンスは、非モデル種の進化の分子機構を解明するための魅力的な方法である。本研究では、RNA-seqを用いて、P. endiviifoliaの雄性配偶体と雌性配偶体の間の遺伝子発現の違いを、生育期と生殖期を区別してプロファイリングした。その結果、性器を産生する個体の遺伝子発現プロファイルを、残りの種と比較することで、P. endiviifoliaの生殖器の発達に重要な遺伝子の発現を決定した。抽出した差異発現遺伝子（DEG）は、代謝、遺伝情報処理、環境情報処理、細胞プロセス、生物システムの5つの主要な経路に分類した。得られたデータをMarchantia polymorphaのトランスクリプトームと比較した結果、2つの異なるミズナラ属のメンバー間で生殖期の生育期に類似した発現パターンを示す遺伝子が同定された。また、選択された87個の遺伝子の共通の発現プロファイルは、両種のセイタカアワダチソウにおける性器発生を支配する共通のメカニズムを示唆するものであった。得られたRNA-seqの結果は、発現レベルの差が最も大きいDEGについてRT-qPCRにより確認された。その結果，5 つの Pellia-femal-specific DEG と 2 つの Pellia-male-specific DEG がそれぞれ archegonia と antheridia で発現量の豊富さを示した．以上のことから、これらの遺伝子の性生殖への関与を明らかにするための機能的研究が期待される。

MAIN CONCLUSION: This study shows differences in gene expression between male and female gametophytes of the simple thalloid liverwort with a distinction between the vegetative and reproductive phases of growth. Pellia endiviifolia is a simple thalloid liverwort that, together with hornworts and mosses, represents the oldest living land plants. The limited taxon sampling for genomic and functional studies hampers our understanding of processes governing evolution of these plants. RNA sequencing represents an attractive way to elucidate the molecular mechanisms of non-model species development. In the present study, RNA-seq was used to profile the differences in gene expression between P. endiviifolia male and female gametophytes, with a distinction between the vegetative and reproductive phases of growth. By comparison of the gene expression profiles from individuals producing sex organs with the remaining thalli types, we have determined a set of genes whose expression might be important for the development of P. endiviifolia reproductive organs. The selected differentially expressed genes (DEGs) were categorized into five main pathways: metabolism, genetic information processing, environmental information processing, cellular processes, and organismal systems. A comparison of the obtained data with the Marchantia polymorpha transcriptome resulted in the identification of genes exhibiting a similar expression pattern during the reproductive phase of growth between members of the two distinct liverwort classes. The common expression profile of  87 selected genes suggests a common mechanism governing sex organ development in both liverwort species. The obtained RNA-seq results were confirmed by RT-qPCR for the DEGs with the highest differences in expression level. Five Pellia-female-specific and two Pellia-male-specific DEGs showed enriched expression in archegonia and antheridia, respectively. The identified genes are promising candidates for functional studies of their involvement in liverwort sexual reproduction.