A 'kinetic' analysis of environmental signals involving winter length recognition in deciduous fruit trees

Research Project

Project/Area Number	23K23599
Project/Area Number (Other)	22H02334 (2022-2023)
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Multi-year Fund (2024) Single-year Grants (2022-2023)
Section	一般
Review Section	Basic Section 39030:Horticultural science-related
Research Institution	Chiba University
Principal Investigator	齋藤隆徳千葉大学, 大学院園芸学研究院, 助教 (20753479)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2026-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help	¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000) Fiscal Year 2025: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000) Fiscal Year 2024: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000) Fiscal Year 2023: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000) Fiscal Year 2022: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000)
Keywords	自発休眠 / 温暖化 / エピジェネティクス / 深層学習 / 転移学習 / 細胞培養 / RNA-seq
Outline of Research at the Start	温暖化によって生じる環境変化に適応する農作物の開発は、世界的な食料問題の解決に不可欠である。リンゴなどの落葉果樹は、一定期間の冬の寒さにあうことで萌芽できるようになる性質を持つため、冬季の温暖化が進むと萌芽不良が生じる。ところが細胞レベルでのどのように冬の長さを感知しているかという萌芽メカニズムの本質ともいえる問いは明らかになっていない。そこで本研究では、独自に開発した細胞モデルを利用し、様々な環境シグナルの伝達について『速度論的に』理解することを目指す。すなわち細胞レベルでの時間認識を明らかにし、さらに実際の樹体における応答も合わせて評価することで、果樹の冬の長さの認識システムの本質に迫る。
Outline of Annual Research Achievements	リンゴ芽を用いて自発休眠前後のゲノム構造と転写変動との関係について、深層学習に基づき構築したモデルにより解析を行った。その結果、自発休眠の制御に関わると当初に想定したいた脂質・糖代謝・低温・低酸素・アブシシン酸応答といった５つのシグナルのうち、特に低温とアブシシン酸がリンゴの自発休眠の制御に重要な役割を果たしている可能性が伺えた。低温シグナルについては概日リズムを介して茎頂の発達制御を駆動していることを明らかにするとともに、アブシシン酸が非生物的ストレス応答へ作用していることも明らかとした。細胞分裂サイクルを中心とした茎頂の発達制御や、非生物的ストレスのうち酸化ストレスの自発休眠制御における重要性は、本研究で用いたリンゴのみならず様々な果樹で報告されており、過去の知見と一致するものと考えられた。さらに独自に開発した細胞モデルによりこれらの環境応答性について解析をしたところ、細胞モデルでも低温シグナルが細胞分裂サイクルに作用していることを確認できた。一方でアブシシン酸シグナルは低温に非依存的であり、どのような環境因子を受容しているかは明らかとすることはできなかった。すなわち環境因子という観点からみると、低温に依存して自発休眠を制御する経路と、低温に非依存的な経路が存在する可能性を見出した。現在は低温シグナルから茎頂の発達制御に関わる遺伝子の基礎的な解析を進めるとともに、アブシシン酸による制御を司る環境因子について解析を行っていく予定である。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 昨年度の解析により、自発休眠の制御において重要な因子として、低温依存的シグナルおよびアブシシン酸を基軸とした低温非依存的シグナルの２つまで絞り込むことできた。今後はこのシグナル伝達に関わる遺伝子群を調べるとともに、その相互作用と伝達の時間的な推移を観測することを目的に、微弱発光イメージングシステムを基盤とした実験系の準備を同時並行的に行う。
Strategy for Future Research Activity	今後はこれまでに得た情報に基づき、まずは秋季にはフィールドから採取した切り枝に対して低温処理をすることで、シグナル伝達に関わる遺伝子群について明らかにする。アブシシン酸を基軸とした非低温依存シグナルを調節する因子を解明することを目的として、自然条件下での芽での応答と低温処理をした培養細胞を利用し、その応答の違いをRNA-seq解析にて明らかにすることも予定している。なお。本年度についてはRNA-seq解析用の試料の調整を行うことを目標とする