ソルガムのバイオリファイナリー最適化育種の基盤となる高糖性と開花期の研究

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H04859
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 佐塚 隆志 名古屋大学, 生物機能開発利用研究センター, 准教授 (70362291)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: ソルガム / 高糖性 / 開花期

Outline of Annual Research Achievements

本年度の研究では、ソルガムの開花期の制御メカニズム、及び開花期と搾汁液糖度との関係性を明らかにする目的で次の実験を行った。まず、74LH3213をゲノム背景とし、第6染色体の一部をスイートソルガムSIL-05ゲノム断片（長腕に高糖性QTL、qBRX-6を含む）に置換した2つの染色体部分置換系統、SL-6、及びSL-6sを系統化した（申請書図6参照）。SL-6は、第6染色体短腕のソルガム開花遺伝子Ma6/SbGhd7が機能欠失型（SIL-05アリル）であり、SL-6sは、それが機能型（74LH3213アリル）となるようにデザインした。この二系統を実験に供試し比較することで、開花期の制御メカニズム、及び搾汁液糖度との関係性の解明を目指した。
この開花調査の結果、予想外なことにSL-6、SL-6sは、ともに開花期が早生型（74LH3213の表現型）となった。このことから、74LH3213ではMa6/SbGhd7が機能していない可能性が示唆された。そこで74LH3213ゲノムにおける他の開花期遺伝子の配列を調べたところ、第１染色体に座乗するMa3/PhyB遺伝子が機能欠失型であることが明らかとなった。イネでは、出穂期の情報伝達モデルとして、Ghd7がPhyBの下流に位置することが示唆されている。このことから、ソルガムでもMa6はMa3の下流に位置しており、Ma3が機能欠失している74LH3213背景ではMa6が機能していないことが示唆された。
また、qBRX-6候補領域も絞り込みを行った。マッピング集団は連続戻し交雑を進め、qBRX-6分離集団であるBC5F2集団を作出した。この分離集団を供試し連鎖解析を行ったところ、前年度とは異なり、糖度と遺伝子型との間には有意な連鎖が見られなかった。このことから、qBRX-6は環境要因に影響される典型的な量的形質であることが示唆された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度の研究では当初の計画通り、ソルガムの開花期の制御メカニズム、及び開花期と搾汁液糖度との関係性を明らかにする目的である次の実験が行われた。まず、研究材料として、74LH3213をゲノム背景とし第6染色体の一部をスイートソルガムSIL-05ゲノム断片に置換した2つの染色体部分置換系統SL-6、SL-6sの系統化を達成した。SL-6は、第6染色体短腕のソルガム開花遺伝子Ma6/SbGhd7が機能欠失型（SIL-05アリル）であり、SL-6sは、それが機能型（74LH3213アリル）となるようにデザインできた。このように、材料の準備については計画どおり順調に進捗した。
次に、この二系統を実験に供試し比較した結果、予想外なことにSL-6、SL-6sは、ともに開花期が早生型（74LH3213の表現型）となった。これは作業仮説とは異なる結果となった。そこで、その理由について様々な検討を行った結果、結論としてMa6はMa3の下流に位置しており、Ma3が機能欠失している74LH3213背景ではMa6が機能していないことが示唆された。これは作業仮説どおりではなかったが、ソルガムの開花期について、Ma6とMa3の相互作用を明らかにした点で進捗があった。
また、qBRX-6のマッピングも計画どおり行われた。当初から推測されていたように、ソルガムの搾汁液の高糖性は量的形質であり、環境要因に影響され、また原因遺伝子も複数が近傍の遺伝子座に座乗している可能性が示唆された、という点で進捗があった。

Strategy for Future Research Activity

これまでの結果から、qBRX-6遺伝子座は典型的な量的形質であり、形質値は環境要因に大きく左右され、また原因遺伝子は複数座乗している可能性も想定された。もし、原因遺伝子が複数ある場合は連鎖解析による遺伝子の同定は困難である。そこで今後の研究の推進方策として、qBRX-6候補領域にタイトに連鎖しているMa1/SbPRR37遺伝子に注目し、この遺伝子そのものが、高糖性の原因遺伝子の 一つであるかどうかに焦点を絞り、研究を進めることにした。Ma1/SbPRR37遺伝子は、ソルガム育種では登熟期遺伝子ma1として知られる変異があり、現在の品種を含む様々な品種に広く利用されている重要遺伝子である。また、そのイネのオルソログ遺伝子PRR37は、出穂期遺伝子であるEarly heading7-2 (EH7-2)/Heading date2 (Hd2) と考えられている。一方、シロイヌナズナのオルソログ遺伝子（PRR3, PRR7）の研究では、生物時計遺伝子として位置づけられている。出穂期や生物時計に関わるということは、糖の転流に直接的、或いは間接的に関わっている可能性も考えられる。 そこで、今後の研究実施計画として、まずはqBRX-6遺伝子座を有する品種、SIL-05のPRR37アレル及び、他品種由来のアレルを決定することとした。また、ソルガムのPRR37遺伝子について、SIL-05アレル、機能型アレル、機能欠失アレルの3つのアレルを用いたイネへの形質転換実験を行うことを計画した。イネはPRR37遺伝子が機能欠失型の染色体断片置換系統が樹立されている。この実験によって、PRR37遺伝子のSIL-05アレルが開花期及び高糖性という形質において、野生型なのか、機能欠失型なのか、或いは機能獲得型なのかを明らかにする。

Research Products

• [Journal Article] Effective Usage of Sorghum Bagasse: Optimization of Organosolv Pretreatment using 25% v/v 1-Butanol and Subsequent Nanofiltration Membrane Separation (2018)
  • Author(s): Hiroshi Teramura, Kengo Sasaki, Tomoko Oshima, Hideo Kawaguchi, Chiaki Ogino, Takashi Sazuka and Akihiko Kondo
  • Journal Title: Bioresour Technol Volume: 252 Pages: 157～164
  • DOI: 10.1016/j.biortech.2017.12.100
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Heap: a Highly Sensitive and Accurate SNP Detection Tool for Low-coverage High-throughput Sequencing Data (2017)
  • Author(s): Masaaki Kobayashi, Hajime Ohyanagi, Hideki Takanashi, Satomi Asano, Toru Kudo, Hiromi Kajiya-Kanegae, Atsushi J. Nagano, Hitoshi Tainaka, Tsuyoshi Tokunaga, Takashi Sazuka, Hiroyoshi Iwata, Nobuhiro Tsutsumi and Kentaro Yano
  • Journal Title: DNA Res Volume: 24 Pages: 397～405
  • DOI: 10.1093/dnares/dsx012
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Sucrose Purification and Repeated Ethanol Production from Sugars Remaining in Sweet Sorghum Juice Subjected to a Membrane Separation Process (2017)
  • Author(s): Kengo Sasaki, Yota Tsuge, Hideo Kawaguchi, Masahiro Yasukawa, Daisuke Sasaki, Takashi Sazuka, Eiji Kamio, Chiaki Ogino, Hideto Matsuyama and Akihiko Kondo
  • Journal Title: App Micbio Biotech Volume: 101 Pages: 6007～6014
  • DOI: 10.1007/s00253-017-8316-3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Screening of Rice Mutants with Improved Saccharification Efficiency Results in the Identification of CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC 1 and GOLD HULL AND INTERNODE 1 (2017)
  • Author(s): Ko Hirano, Reiko Masuda, Wakana Takase, Yoichi Morinaka, Mayuko Kawamura, Yoshinobu Takeuchi, Hiroki Takagi, Hiroki Yaegashi, Satoshi Natsume, Ryohei Terauchi, Toshihisa Kotake,Yasuyuki Matsushita and Takashi Sazuka
  • Journal Title: Planta Volume: 246 Pages: 61～74
  • DOI: 10.1007/s00425-017-2685-9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Differences in Glucose Yield of Residues from among Varieties of Rice, Wheat, and Sorghum after Dilute Acid Pretreatment (2017)
  • Author(s): Hiroshi Teramura, Kengo Sasaki, Hideo Kawaguchi, Fumio Matsuda, Jun Kikuchi, Tomokazu Shirai, Takashi Sazuka, Masanori Yamasaki, Shigeo Takumi, Chiaki Ogino and Akihiko Kondo
  • Journal Title: Biosci Biotech Biochem Volume: 81 Pages: 1650～1656
  • DOI: 10.1080/09168451.2017.1336922
  • Peer Reviewed
• [Presentation] An agronomically important gene, Dw1, encodes a novel component of brassinosteroid signaling, and controls the cell proliferation in internodes (2018)
  • Author(s): Takashi Sazuka, Ko Hirano, Satoko Araki-Nakamura, Kozue Ohmae-Shinohara, Mayuko Kawamura, Haruka Fujimoto, Miki Yamaguchi, Akihiro Fujii, Shigemitsu Kasuga
  • Organizer: Sorghum in the 21st Century
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 組換え大腸菌によるフェニル乳酸における多様な草本系バイオマス糖化液の発酵阻害とその成分の比較 (2017)
  • Author(s): 川口秀夫、吉原久美子、佐塚隆志、高谷直樹、蓮沼誠久、寺村浩、荻野千秋、近藤明彦
  • Organizer: 日本農芸化学会関西支部第501回講演会
• [Presentation] 花粉親品種における開花期改良の試み (2017)
  • Author(s): 佐々木碩哲、和田多門、中村聡子、大前梢、岡村進之介、 藤井昭裕、春日重光、佐塚隆志
  • Organizer: 第8回ソルガムワークショップ
• [Presentation] スイートソルガムの有する新規高糖性QTLの同定を目指した遺伝学的解析 (2017)
  • Author(s): 丹羽佑介、岡村進之介、中村（荒木）聡子、河江琴奈、篠原（大前）梢、三浦 孝太郎、春日重光、佐塚 隆志
  • Organizer: 第25回育種学会中部地区談話会
• [Presentation] 輪郭形状のゲノミック予測のための定量化手法の比較 (2017)
  • Author(s): 坂本莉沙、鐘ケ江弘美、野下浩司、石森元幸、小林正明、藤本優、高梨秀樹、永野惇、佐塚隆志、矢野健太郎、徳永毅、堤伸浩、岩田洋佳
  • Organizer: 日本育種学会第133回講演会