パンコムギの品種間シス制御の違いを利用した新規対立遺伝子の単離
| Project/Area Number |
23K23582
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| Project/Area Number (Other) |
22H02316 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 39010:Science in plant genetics and breeding-related
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| Research Institution | Yokohama City University |
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Principal Investigator |
清水 健太郎 横浜市立大学, 木原生物学研究所, 客員教授 (10742629)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
Fiscal Year 2022: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000)
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| Keywords | ゲノム / トランスクリプトーム / 倍数体 / RNA-seq / 遺伝子発現 / 機械学習 |
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| Outline of Research at the Start |
パンコムギはイネとトウモロコシと並んで世界の重要な穀物ですが、DNAゲノムが複雑であるために、ゲノムを用いた研究と育種が遅れていました。2020年に、研究代表者の参加したコムギ10+ゲノムプロジェクトにより、日本を代表するパンコムギ品種農林61号などの高精度ゲノムが得られ、未開拓の東アジアのパンコムギ遺伝資源を活用する素地が整いました。本研究では、遺伝子発現解析、機械学習、量的遺伝子座マッピングなどを組み合わせて、パンコムギの新規対立遺伝子を探索し、またその発現を司る環境要因の解明を目指します。
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| Outline of Annual Research Achievements |
パンコムギはイネやトウモロコシと並んで世界の重要な穀物です。しかし、パンコムギは3つの種のゲノムDNAが融合してゲノム重複を経た複雑な異質倍数体であるために、ゲノムを用いた研究と育種が遅れていました。2020年に、研究代表者の参加したコムギ10+ゲノムプロジェクトにより、日本を代表するパンコムギ品種農林61号などの高精度ゲノムが得られ、未開拓の東アジアのパンコムギ遺伝資源を活用する素地が整いました。我々はまず、既存の二倍体種用に開発された手法を異質倍数体のRNA-seqによる遺伝子発現解析に適用すると、ゲノム重複による3つの重複遺伝子を正確に区別しにくいためマッピングのエラー率が10%にも上る一方、我々の開発してきたEAGLE-RCやHomeoRoqなどのサブゲノム分類法のソフトウェアを用いれば、エラー率が低く抑えられることを示しました。また遺伝子配列のうち重複遺伝子を区別しやすい3’末端配列を利用することで、安価で多数のサンプルの遺伝子発現を高精度で解析できる手法も確立しました。その他、機械学習を用いて野外変動環境で継続的に植物形態や色情報を観測するためのハードウェア・ソフトウェアPlantServationを開発しました。モデル倍数体種のデータを解析したところ、異質倍数体化によって両親種の環境応答を受け継いで組み合わせることによって、変動環境に適応したことが支持されました。さらに、倍数体の有用植物についての総説を執筆し、倍数体化が栽培化の前後共に重要な役割を果たしたことを詳説しました。そして、コムギなどを用いて開発された倍数体ゲノム解析手法が多くの有用植物に適用できることを論じました。
他に本研究代表者の整備してきたゲノム情報および解析技術等を提供することで、多数の共同研究に役立てており、関連する学会発表数からも日本のコムギ研究に広く寄与していることが示されています。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究のコア技術として、これまで解析の難しかった異質倍数体種のRNA-seq手法について、安価で多数サンプルを扱える技術を開発し、論文として出版した。さらに、野外変動環境で継続的に植物形態と色情報を収集するハードウェア・ソフトウェアPlantServationの論文を出版し、コムギデータの解析を進めている。研究員の募集に時間がかかったが、研究内容が順調に進展している。そして、Nested Association Mapping Lineを用いて、様々な形質について有意な量的遺伝子座(QTLs)を同定できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
既に開発して出版した安価なRNA-seq手法と機械学習による画像解析手法PlantServationを、すでに取得済のコムギの大規模データに適用して、野外変動環境でのシス制御による遺伝子発現解析の解析を進める。また、Nested Association Mapping Lineを用いたQTL解析をさらに推進していく。
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Report
(1 results)
Research Products
(32 results)
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[Journal Article] Small RNA-regulated dominance among polyploid subgenomes supports Haldane's sieve in evolution of self-compatibility.2023
Author(s)
Yew, C.-L., Tsuchimatsu, T., Shimizu-Inatsugi, R., Yasuda, S., Hatakeyama, M., Kakui, H., Ohta, T., Suwabe, K., Watanabe, M., Takayama, S., Shimizu, K. K.
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Journal Title
Nature Commun.
Volume: 14
Issue: 1
Pages: 7618-7618
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Targeted single-cell gene induction by optimizing the dually regulated CRE/loxP system by a newly defined heat-shock promoter and the steroid hormone in Arabidopsis thaliana2023
Author(s)
Takumi Tomoi, Toshiaki Tameshige, Eriko Betsuyaku, Saki Hamada, Joe Sakamoto, Naoyuki Uchida, Keiko U Torii, Kentaro K Shimizu, Yosuke Tamada, Hiroko Urawa, Kiyotaka Okada, Hiroo Fukuda, Kiyoshi Tatematsu, Yasuhiro Kamei, Shigeyuki Betsuyaku
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Journal Title
Frontiers in Plant Science
Volume: in press
Pages: 1171531-1171531
DOI
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[Presentation] Effects of allopolyploidization on homoeologous gene expression changes and environmental response in hexaploid wheat.2023
Author(s)
Moeko Okada, J. Sun, T. Tameshige, M. Hatakeyama, R. Shimizu-Inatsugi, S. Takumi, J. Sese, K. K. Shimizu
Organizer
Plant and Animal Genome Conference 30, San Diego, USA, 2023-01-16
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[Presentation] Time-series field phenotyping system PlantServation using machine learning revealed seasonal pigment fluctuation trends in diploid and polyploid Arabidopsis2023
Author(s)
Toshiaki Tameshige, Reiko Akiyama, Takao Goto, Jiro Sugisaka, Ken Kuroki, Jianqiang Sun, Junichi Akita, Masaomi Hatakeyama, Hiroshi Kudoh, Tanaka Kenta, Aya Tonouchi, Yuki Shimahara, Jun Sese, Natsumaro Kutsuna, Rie Shimizu-Inatsugi, Kentaro K Shimizu
Organizer
The 33rd International Conference on Arabidopsis Research (ICAR2023), Chiba, Japan, 2023-06-07
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[Presentation] Pairing homoeologous 2欠失変異体を利用したパンコムギへの異種染色体断片導入2023
Author(s)
田渕雅啓, 岡田萌子, 道川麻美, 井上喜博, 西村和紗, 水野信之, 清水健太郎, 小林史典, 宅見薫雄, 吉田健太郎
Organizer
日本育種学会第144回講演会, 神戸大学, 2023-09-17
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[Presentation] コムギ NAM 集団の茎立ち期における UAV によるハイスループットフェノタイピングおよび UAV から得られた形質と収量関連形質との関連2023
Author(s)
吉岡 俊輔, 黒木 健, 新田 みゆき, 聶 紀魯, 石井昌範, 角井宏行, 岡田萌子, 竹中祥太郎, 清水健太郎, 岩田洋佳, 郭威, 那須田周平
Organizer
日本育種学会第144回講演会, 神戸大学, 2023-09-16
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