Construction of the peach pan-genome and its application to the identification of genes that control the major traits of peach

• Project/Area Number: 22H00368
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 39:Agricultural and environmental biology and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 中野 龍平 京都大学, 農学研究科, 教授 (70294444)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 牛島 幸一郎 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 教授 (20379720) ; 西村 和紗 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 助教 (60835453) ; 福田 文夫 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 教授 (60294443) ; 高田 大輔 福島大学, 食農学類, 准教授 (80456178) ; 鵜木 悠治郎 岡山県農林水産総合センター(農業研究所), 果樹研究室, 研究員 (80806977) ; 小田 賢司 岡山県農林水産総合センター生物科学研究所, その他部局等, 専門研究員 (10344409) ; 森本 拓也 京都府立大学, 生命環境科学研究科, 講師 (90837634) ; 山本 幹博 岡山大学, 環境生命科学学域, 教授 (60274015)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥41,860,000 (Direct Cost: ¥32,200,000、Indirect Cost: ¥9,660,000); Fiscal Year 2024: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000); Fiscal Year 2023: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2022: ¥13,520,000 (Direct Cost: ¥10,400,000、Indirect Cost: ¥3,120,000)
• Keywords: Pan-genome / モモ / 枝変わり / 熟期 / 病原耐性 / pan-genome / 軟化 / エチレン / Prunus persica / 品質 / 参照ゲノム / 熟期枝変わり / 芳香成分 / loss of heterozygosity / 黒斑病耐性

Outline of Research at the Start

モモにおいて，独自に収集したモモ遺伝資源を活用し，モモ品種系統を広くカバーする数品種由来の新規参照ゲノムと，これを基にした高精度のpan-genomeデータベースを構築する．さらに，構築したpan-genomeを利用して，重要形質（品質，熟期，生理障害，病害抵抗性）の分離集団や枝変わり品種の解析を試み，その結果をデータベースの最適化に反映させる．これらより，汎用性の高いモモのゲノムデータベースを提供するとともに，重要形質を制御する未発見の遺伝子を特定することを試みる．

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、モモ数品種の参照ゲノムの構築と諸形質の制御遺伝子の特定に必要な分離集団の育成を目的とし、以下のような成果を得た。
１）pan-genomeの整備：せんこう細菌病耐性持つブラジル系の‘Chimarita’について、nanoporeロングリードを解読し、de novo assemblyによりドラフトゲノムを作成した。また、国内主要品種である‘あかつき’に関して、より詳細な連鎖解析を行なった。この連鎖解析のために開発したdpMIG-seq法についての論文がPlant J誌に掲載された。また、研究グループが保有するジーンバンク品種を中心に、約100品種よりDNA抽出を実施し、WGSデータを取得した。
２）‘大寿蜜桃’と‘川中島白桃‘のF1集団の解析：‘大寿蜜桃’と‘川中島白桃‘のF1集団において熟期（7月成熟と8月成熟）、果実形、収穫後のエチレン生成および軟化において、分離が観察された。エチレン生成および軟化については、8月成熟果実の一部において、これらの現象が緩慢な系統がみつかっている。dpMIG-seq法により検出したSNPsによるQTL解析の結果、熟期については4番染色体にQTLが検出されこの領域に座乗するNAC遺伝子の遺伝子型と熟期が一致した。
３）交配後代および枝変わりの育成とその形質評価：上述の‘大寿蜜桃’と’川中島白桃‘の交配後代に加え、黒斑病耐性を持つ‘冬桃’と‘清水白桃’および‘あかつき’と‘川中島白桃’、せんこう細菌病耐性を示す‘Coral’と‘Chimarita’の自殖後代など多数の集団を育成した。研究グループが発見した多様な変異形質が見られる‘紅博桃’の枝変わりについてその肥大様相を詳細に調査したところ、細胞層数が満開後60日頃から少ないことに加えて，最終的な細胞径が小さいことが、この枝変わりが小果となる原因であることが明らかとなった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

以下のように本研究は概ね順調に進捗している。pan-genomeの整備では、これまでに国内主要品種である‘あかつき’に加えて、‘あかつき’やこれまでに参照ゲノムが報告されている品種とは系統的に離れており、なおかつ、特徴的な形質を示す‘冬桃’、‘大寿蜜桃’、‘Chimarita’ といった品種において,nanoporeロングリードを解読し、ドラフトゲノムが作成できている。‘Chimarita’を除く品種では, Saphyr解析によるオプチカルマッピングとRgaTagおよび交配後代を利用した連鎖解析により、それぞれ染色体レベルの参照配列を構築に成功している。また、研究グループの岡山県が保持するシーンバンク品種を中心に100ほどの品種のWGS 配列が得られている。諸形質の制御遺伝子の特定に必要な分離集団の育成では、熟期や軟化などの棚持ち性に特徴的な性質を持つ、‘冬桃’や‘大寿蜜桃’と国内主要品種との交配後代、黒斑病抵抗性が異なる‘あかつき’と‘川中島白桃’の交配後代、せんこう細菌病に抵抗性をしめす‘Chimarita’ と’Coral’の自殖後代の育成に成功している。‘大寿蜜桃’と‘川中島白桃’のF１集団では、熟期、エチレン生成および軟化速度などに分離を観察している、また、上述のシーンバンク品種や熟期を中心とした枝変わりの育成とその形質評価も進めている。今後、pan-genomeの整備を進めるとともに、重要形質に分離および違いが検出されている集団の解析に適用することで、制御遺伝子の特定が達成されると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

本課題は、１）pan-genomeの整備と２）栽培・形質調査と遺伝解析による諸形質の制御遺伝子の特定という大きく二つの研究を計画している。
今後は、１）においては、引き続き、参照ゲノムの構築を進めるとともに、連鎖地図の作成やハプロイドごとのゲノム配列の特定を行う。２）においては解析に利用する交雑集団や枝変わりの育成に加え、形質調査を中心とした研究を進める。
１）pan-genomeの整備：これまでに参照ゲノムの構築した品種に加え、他の国内重要品種について同様の解析を進めるとともに、花粉由来のDNAを用いた連鎖解析を併用し、シュードモレキュールを構築する。また、ハプロイドごとにアセンブリーを実施するとともに、研究グループが保有するジーンバンクを中心にした様々な品種について、系統関係の分かるWGSのデータから各品種のハプロタイプの特定を試みる。
２）栽培・形質調査と遺伝解析による諸形質の制御遺伝子の特定：熟期が晩生であり・収穫後の軟化が起こらず・香りが少ない‘大寿蜜桃’と通常品種‘川中島白桃’のF1集団および ‘あかつき’と‘川中島白桃’のF1集団について，それぞれ香りを含む果実形質および黒斑病耐性を引き続き評価するとともに，分離が検出された形質については１）で得られた参照ゲノムを用いて関連する遺伝子座の探索する。さらに、せんこう細菌病耐性を示す‘Coral’と‘Chimarita’のF1集団、熟期や黒斑病耐性が異なる‘冬桃’と‘清水白桃’の後代、国産主要品種の熟期枝変わりを育成し、その形質を評価する。特に、’川中島白桃’の熟期枝変わりである‘愛川中島’については、’川中島白桃’とのゲノム比較も実施する。
以上より、モモ数品種の参照ゲノムの構築と諸形質(病害抵抗性，品質(硬度，糖度，香り)，熟期など)の制御遺伝子の特定に必要な分離集団の育成と関連遺伝子座の特定を試みる。

Research Products

• [Journal Article] Degenerate oligonucleotide primer <scp>MIG</scp>‐seq: an effective <scp>PCR</scp>‐based method for high‐throughput genotyping (2024)
  • Author(s): Nishimura Kazusa、Kokaji Hiroyuki、Motoki Ko、Yamazaki Akira、Nagasaka Kyoka、Mori Takashi、Takisawa Rihito、Yasui Yasuo、Kawai Takashi、Ushijima Koichiro、Yamasaki Masanori、Saito Hiroki、Nakano Ryohei、Nakazaki Tetsuya
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: 16708 Issue: 6 Pages: 16708-16708
  • DOI: 10.1111/tpj.16708
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Comparative genomic analysis between Japanese peach cultivar ‘Akatsuki’ and its bud sport mutants with diverse maturity dates (2023)
  • Author(s): Amamori, M., K. Ushijima, R. Nakano, F. Fukuda, T. Kawai, K. Nishimura, K. Motoki, K. Nagasaka, Y. Iwahashi, S. Inoue and T. Nakazaki
  • Organizer: The 4th Asian Horticultural Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Chromosomal re-arrangement detected on chromosome 4 in a novel bud sport of 'Beni-hakuto'; Japanese peach with multiple mutant phenotypes (2022)
  • Author(s): Ryohei Nakano, Takashi Kawai, Daisuke Takata, Yuki Taniguchi, Takayuki Tamura, Mamoru Sato, Kazusa Nishimura, Ko Motoki, Akira Yamazaki, Tetsuya Nakazaki, Fumio Fukuda, Koichiro Ushijima
  • Organizer: 31st International Horticultural Congress
  • Int'l Joint Research