ゲノムデザインと自由な書き換えによる高収量コムギの創出

• Project/Area Number: 21K19127
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 39:Agricultural and environmental biology and related fields
• Research Institution: National Agriculture and Food Research Organization
• Principal Investigator: 今井 亮三 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 生物機能利用研究部門, エグゼクティブリサーチャー (90291913)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 佐分利 亘 北海道大学, 農学研究院, 准教授 (00598089) ; 手塚 大介 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 生物機能利用研究部門, 研究員 (80964600)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: ADP-グルコース / ショ糖合成酵素 / ジーンターゲティング / ゲノム編集 / ノックイン / タンパク質工学 / コムギ

Outline of Research at the Start

合成生物学やゲノム編集技術を統合し，新たな生物機能を創り上げるゲノムデザイン研究は，次世代の育種技術として注目されている．本研究では，酵素の分子デザインと独自のiPBノックイン技術を組み合わせ，全く新しいアプローチによる多収性コムギ創出の可能性に挑戦する．コムギのショ糖合成酵素（SUS）の改変より，デンプン合成の基質である ADP-glucoseを，ショ糖から1段階の反応で直接的に合成する経路を導入するという大胆な計画である．デンプン生合成が強化され，子実収量が大きく増大したコムギが創出されることが期待される．

Outline of Annual Research Achievements

本課題では、タンパク質分子デザインとノックイン型ゲノム編集技術を組み合わせることで、デンプン生合成能を強化した高収量コムギを創出する。Wheat sucrose synthase (WSUS)はスクロースからUDP-グルコースを生成する糖転移酵素であるが、アミノ酸置換を導入することで、ADP-グルコース生成型へ改変可能である。ADP-グルコースはデンプン生合成の基質であるため、変異型WSUSを胚乳細胞で発現させることで種子のデンプン蓄積が高まり、子実収量の増加が期待できる。
R5年度は胚乳特異的に発現するWSUS3を標的遺伝子に、切断効率に優れる２種のガイドRNAと、一本鎖あるいは二本鎖ドナーDNAを組み合わせたノックイン型ゲノム編集を継続した。ゲノム編集当代976個体の解析から、目的の変異を持つコムギ系統を最終的に２系統作出することに成功した。これらの系統はそれぞれAゲノムあるいはDゲノム上のWSUS3にノックイン型ゲノム編集が起こり、４アミノ酸置換が導入されていた。各系統について種子を増殖し、増殖主旨を用いて、人工気象室における栽培試験を開始した。当初R5年度内にゲノム編集系統の収量解析、および糖ヌクレオチドの定量を行う予定であったが、系統作出に想定外の時間を要したため実施できなかった。今後本研究を継続し、SUS3へのアミノ酸置換がもたらす酵素活性の変化と収量性への効果を明らかにする。