2018 Fiscal Year Annual Research Report
Characterization of quantitative trait loci regulated by environmental condition.
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17H01458
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
松岡 信 名古屋大学, 生物機能開発利用研究センター, 教授 (00270992)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 育種学 / 遺伝学 / 遺伝子 / 植物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、環境に呼応して機能を変化させる農業関連遺伝子の単離・解析手法の確立とそれを利用した分子育種である。農業に関連する多くの形質は量的形質であり、その研究は従来QTL解析により遺伝子レベルの研究が進められているが、本研究においてはQTL解析ではなく、ゲノムワイド関連（GWA）解析（Nature Genetics, 2016）により進める。重要農業形質は、気象や土壌と言った外的環境によりダイナミックに影響を受け、環境条件を加味した遺伝解析が強く望まれている。そこで本研究では、外的環境に呼応してその機能をダイナミックに変化させるQTL遺伝子の単離・解析技術を構築し、分子育種に貢献することを目指している。
昨年度の結果を含めた具体的成果は、下の「現在までの進捗状況」述べるが、本項ではこれまで得られた結果の概要を記す。
●窒素が出穂に及ぼす影響：出穂遺伝子Hd1/Hd2/Hd6のすべてが機能型を持つイネの場合のみ窒素施肥に呼応して出穂遅延を引き起こしたが、この3遺伝子のいずれかが機能欠失した同一置換系統（NIL）の窒素反応性は完全に消失することが確認された。
●窒素はどのようにHd6機能を制御するか：昨年に引き続き以下の実験を行った。①_HD6mRNAは窒素施肥により変動（上昇）しない。②_窒素施肥によりFLAG-HD6タンパク質レベルが上昇した。③_OsPRR37（HD2）タンパクレベルは窒素施肥によるHD6活性化に伴い増加する。④_イネ葉鞘プロトプラストを用いたトランジェント実験により、HD1はHd3a（フロリジェン）の発現を誘導する。このHD1によるHd3a発現誘導をHD2は抑制するがHD6は影響を与えない。HD2によるHD1活性促進の効果は濃度依存的である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度、GWASによる新規G X E解析手法を考案したのでそれを中心に記載する。
●日本晴背景に統一した出穂関連3遺伝子（Hd6、Hd1、Hd2）のアリル型組み合わせが異なるNIL（Hd6＋/Hd1＋/ Hd2＋、Hd6＋/Hd1＋/ Hd2-、Hd6＋/Hd1-/ Hd2＋、Hd6-/Hd1＋/ Hd2＋、Hd6-/Hd1＋/ Hd2-、Hd6＋/Hd1-/ Hd2-、Hd6-/Hd1-/ Hd2＋、Hd6-/Hd1-/ Hd2-）を作製し、窒素施肥を違えた水田で栽培し到穂日数の計測を行った結果、3遺伝子すべて活性型個体のみ窒素による出穂の遅延現象が観察された。これは、GWASパネルの品種で観察された結果と同じであり、窒素による出穂遅延にはこれらすべての出穂遺伝子が必要であることが確認された。
これまで、環境項を含むGWAS計算式でG X Eに影響を受ける遺伝子座を類推することを試みてきたが、単純に到穂日数を形質値としてもHd6座に有意なピークを検出することが出来なかった。そこで到穂日数データを元に主成分分析を行い、主成分スコアの検討を加えた結果、PC1の貢献度が98.3％と圧倒的に高い一方、PC2は1.2％と非常に低いものの窒素施肥の効果を反映していることが判明した。そこでPC1とPC2を用いてGWASを行った結果、PC1のGWASでは既報出穂遺伝子にピークが確認された（1番OsHESO1, 6番Hd1, 7番Hd2等）。一方、PC2のGWASでは3番Hd6領域にのみ有意なピークが観察された。先の予想と合わせ（PC2は窒素条件による到穂日数の変化を表現）、対象とする形質のPCAを行い、環境変動に影響を受ける主成分スコアを用いてGWASを行うことによりG X Eに影響を受ける遺伝子座を類推可能なことが示された。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度までに、窒素量の増加によりHd6機能が強化されることにより、Hd2/PRR37活性を変動させ、Hd1との共同作業によりフロリゲンHd3aの発現を抑制させることにより、結果として出穂が遅延するというモデルを構築した。このモデルの根拠となった具体的結果：①_HD6mRNAは窒素施肥により変動（上昇）しないことを確認した。②_窒素施肥によりFLAG-HD6タンパク質レベルが上昇することを確認した。③_ HD6タンパク質の上昇により、リン酸化されたHd2/PRR37が増加し、結果としてHd2/PRR37活性が増強される。④_イネ葉鞘プロトプラストを用いたトランジェント実験により、HD1はフロリジェンHD3Aの発現を誘導するが、このHD1によるHd3a発現誘導をHD2は抑制する一方、HD6単独ではHD3Aの発現に対して直接的な影響を与えることはできない。さらにHD2によるHD1活性促進の効果は濃度依存的である。本年は最終年度であり、以下の実験により最終的な検証を行い論文化する。
●Hd6過剰発現体を用いた実験：既製のHD6過剰発現イネを用いて、長日条件下でのHd6発現量・窒素含量と出穂の関係を調査。上記のモデルからHd6過剰発現個体は窒素施肥により到穂日数を大きく遅延させることが期待される。
●窒素はどのようにHd6機能を制御するか：これまでの結果からHD6転写は窒素により影響を受けないがタンパク質量は上昇することが示された。このHD6タンパク質量の増加原因を検討する。HD6によりリン酸化されたHD2/PRR37の安定化により転写制御活性が向上すると考えられる。HD2/PRR37のリン酸化は分解速度低下をもたらすかについて、HD2/PRR37過剰発現転換体を用いて検討すると共に、活性レベルの制御についてin vitroでのHD6のリン酸化活性を測定する。
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