アブラナ科育種素材の多様化に対応した受粉反応評価軸の再構築と分子基盤

• Project/Area Number: 21H02162
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 39010:Science in plant genetics and breeding-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 渡辺 正夫 東北大学, 生命科学研究科, 教授 (90240522)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鈴木 剛 大阪教育大学, 教育学部, 教授 (10314444)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2023: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2022: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2021: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
• Keywords: アブラナ科植物 / 自家不和合性 / 一側性不和合性 / 受粉反応 / 育種素材

Outline of Research at the Start

アブラナ科作物では自家不和合性(SI)による経済的F1育種が行われているが、海外由来系統との交雑が背景と考えられる想定外の不和合性が育種効率化の障害となっている。申請者はアブラナ科の自家不和合性研究から、SI分子機構を解明し、日本とトルコ系統間での一側性不和合性(UI)の原因がS遺伝子座の重複と機能喪失であることを証明した。つまり、アブラナ科作物の育種素材の受粉反応では、SIに加えてUIも加味した現象理解が至急の課題である。本研究ではSIとUIが示す共通性と多様性の実態解明を深化させ、受粉反応評価軸を再構築する。

Outline of Annual Research Achievements

アブラナ科作物では自家不和合性(SI)による経済的F1育種が行われているが、海外由来系統と交雑を背景と考えられる想定外の不和合性が育種効率化の障害となっている。申請者はアブラナ科の自家不和合性研究から、SI分子機構を解明し、日本とトルコ系統間での一側性不和合性(UI)の原因がS遺伝子座の重複と機能喪失であることを証明した。つまり、アブラナ科作物の育種素材の受粉反応では、SIにUIも加味した現象理解が至急の課題である。本研究ではSIとUIが示す共通性と多様性の実態解明を深化させ、受粉反応評価軸を再構築する。
アブラナ科作物の育種現場では、多様な作型への適応、耐病性、食味等に多様性を持たせるため、既存品種と欧州・中央アジア等が起源地である素材との交雑が頻繁化し、S遺伝子だけでは説明できない不和合性現象が見られ、育種効率化の障害となっている。
申請者はアブラナ科の自家不和合性(SI)研究から、SI分子機構を解明し、日本とトルコ系統間での一側性不和合性(UI)の原因がS遺伝子座の重複と機能喪失であることを証明した。
本研究では、(1) SIとUI表現型における共通性・多様性の細胞レベルでの理解、(2) SIとUIにおけるMLPK下流因子の同定・機能解析による下流因子の共通性・多様性の分子レベルでの理解、(3) SIとUIにおける対立遺伝子間での優劣性発現機構の共通性・多様性の理解であり、受粉反応の新たな分子基盤の構築を目指す。これらを統合して、SIとUIが示す共通性と多様性の実態解明を深化させ、受粉反応評価軸を再構築する。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

アブラナ科作物の自家不和合性(SI)と一側性不和合性(UI)が示す共通性と多様性の実態解明を深化させ、受粉反応評価軸の再構築に向けて、3つの観点((I) 柱頭上での花粉表現型、(II) 柱頭認識分子下流の共通性と多様性、(III) 優劣性発現機構)に対する統合的な理解を通じて、受粉反応の新たな分子基盤の構築が本研究の目的である。
今年度は、研究項目Iについては、SI遺伝子とUI遺伝子において異なる遺伝的背景下での柱頭上での表現型の共通性・多様性解析について、アニリンブルー染色で同一性、差異を調査した。その結果、両者に明確な差異はなく、2つの不和合性反応の下流は共通していた。
研究項目IIとして、SRKと相互作用するMLPK下流因子がSIで必須であることを再確認した。また、mlpk遺伝的背景でUIが起きないことから下流因子としてUIにおいてもMLPKが必須であることを証明した。また、新規下流因子SC1遺伝子がSIの下流因子として必須であり、UIでも必須であることを遺伝学的に示した。また、sc1遺伝的背景にするために、CRISPR/Cas9による遺伝子破壊系統の作出を開始したが、ゲノム編集する位置が重要であり、外部の研究室との共同研究により問題解決を試みた。
研究項目IIIでは、SIとUIにおける優劣性発現機構の共通性・多様性の解明に向けて、PUI1/pui1個体での各配偶子を持つ遺伝子の後代への遺伝性を調査し、配偶体的な遺伝的挙動を示す可能性を見いだした。

Strategy for Future Research Activity

研究項目Iについては、SI遺伝子、UI遺伝子の対立遺伝子を変化させ、差異がないか改めて検証する。
研究項目IIについては、MLPK, SC1遺伝子の二重劣性と単一劣性での影響についても表現型を検討する。SC1遺伝機能欠損系統をゲノム編集で作出し、遺伝子側からSC1遺伝子の機能を解明する。
研究項目IIIでは低分子RNAによる優劣性発現機構の可能性を検討する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 順天大学/忠南大学(韓国)
• [Journal Article] Fluorescence from abnormally sterile pollen of the Japanese apricot (2021)
  • Author(s): Mori, S., Shimma, S., Masuko-Suzuki, H., Watanabe, M., Nakanishi, T., Tsukioka, J., Goto, K., Fukui, H., and Hirai, N.
  • Journal Title: Plant Biotechnology Volume: 38 Issue: 3 Pages: 355-366
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.21.0730a
  • NAID: 130008091691
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • Year and Date: 2021-09-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Spatiogenetic characterization of <i>S</i> receptor kinase (<i>SRK</i>) alleles in naturalized populations of <i>Raphanus sativus</i> L. var. <i>raphanistroides</i> on Yakushima island (2021)
  • Author(s): Fukushima, K., Kanomata, T., Kon, A., Masuko-Suzuki, H., Ito, K., Ogata, S., Takada, Y., Komatsubara, Y., Nakamura, T., Watanabe, T., Koizumi, S., Sanuki, H., Park, J.-I., Niikura, S., Suwabe, K., Fujii, S., Murase, K., Takayama, S., Suzuki, G., and Watanabe, M.
  • Journal Title: Genes & Genetic Systems Volume: 96 Issue: 3 Pages: 129-139
  • DOI: 10.1266/ggs.20-00066
  • NAID: 130008102461
  • ISSN: 1341-7568, 1880-5779
  • Year and Date: 2021-06-01
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Genetic diversity of genes controlling unilareral incompatibility in Japanese cultivars of Chinese cabbage. (2021)
  • Author(s): Takada, Y., Mihara, Y., He, Y., Xie, H., Ozaki, Y., Nishida, H., Hong, S., Lim, Y. P., Takayama, S., Suzuki, G., and Watanabe, M.
  • Journal Title: Plants Volume: 10 Issue: 11 Pages: 2467-2467
  • DOI: 10.3390/plants10112467
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 低光強度下トマト根の伸長における希土類元素の影響. (2022)
  • Author(s): 井口翔, 徳永達也, 竹中悠人, 渡辺正夫, 石水毅
  • Organizer: 日本農芸化学会 2022年度京都大会
• [Presentation] ゲノム育種の加速化に有効なレガシーデータを活用したGWAS. (2022)
  • Author(s): 菅波眞央, 小島創一, 吉田英樹, Fanmiao Wang, 森中洋一, 渡辺正夫, 松田幹, 松岡信
  • Organizer: 日本作物学会第253回講演会
• [Presentation] Brassica rapa における小国カブの近交系統間で起きる一側性不和合性を制御する雌雄因子の同定に向けた遺伝学的解析. (2022)
  • Author(s): 金あおい, 高田美信, 清水元樹, 高山誠司, 鈴木剛, 小林恭士, 渡辺正夫
  • Organizer: 日本育種学会第141回講演会
• [Presentation] B. rapa近交系統間交雑時に生じた新規受粉時一側性不和合性現象の解析. (2021)
  • Author(s): 金あおい, 高田美信, 清水元樹, 高山誠司, 鈴木剛, 小林恭士, 渡辺正夫
  • Organizer: 日本育種学会第140回講演会
• [Book] 改訂 遺伝単 (2021)
  • Author(s): 渡辺正夫
  • Total Pages: 456
  • Publisher: エヌ・ティー・エス出版
  • ISBN: 9784860437121
• [Book] Advances in Plant Breeding Strategies: Vegetable Crops Volume 10 (2021)
  • Author(s): Okamoto, T., Wei, X., Mehraj, H., Rashed Hossain, M., Akter, A., Miyaji, N., Takada, Y., Park, J.-I., Fujimoto, R., Nou, I.-S., and Watanabe, M.
  • Total Pages: 557
  • Publisher: Springer International Publishing
  • ISBN: 3030669688
• [Remarks] 東北大学大学院生命科学研究科植物分子育種分野 ホームページ
  • URL: http://www.ige.tohoku.ac.jp/prg/watanabe/