2019 Fiscal Year Research-status Report
種子発芽のフェノロジーを決める温度反応制御遺伝子の同定
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19K06729
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| Research Institution | Meiji University |
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Principal Investigator |
川上 直人 明治大学, 農学部, 専任教授 (10211179)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
井内 聖 国立研究開発法人理化学研究所, バイオリソース研究センター, 専任研究員 (90312256)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 種子 / 発芽 / 温度 / フェノロジー / 自然変異 / 量的遺伝子座 / QTL解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
一年生草本が生育する季節（フェノロジー）は種子発芽と花芽形成の時期に依存するが、種子発芽の季節を決める分子機構は明らかにされていない。本研究ではシロイヌナズナ種内の自然変異に着目し、夏型と冬型で対照的な種子発芽の温度反応性をもたらす分子機構を解明することを目的とした。
夏型の種子は低温で発芽が抑制され、高温で発芽するが、冬型の種子は低温で発芽しやすく、高温で発芽が抑制される。2019年度では、夏型と冬型の温度反応性を示す系統の交配で得られたF2世代の分離を調べた。まず、低温と高温の発芽、それぞれの遺伝的分離を調べたところ、いずれも複数の遺伝子が関与する量的遺伝子座に支配されることが示された。次に、低温と高温の発芽形質の関連を調べたところ、両者は別の遺伝子に支配されることが示唆された。さらに、高温で発芽する夏型タイプを示した10個体のF2と低温で発芽する冬型タイプの15個体のF2を選び、SSRマーカーを用いて遺伝型を調べたところ、5番染色体下腕および2番染色体下腕に高温発芽QTLが検出された。
世界各地で採種された400系統の野生株から、明確な夏型タイプの発芽を示すと判断した10系統のうち、ゲノム情報が公開されているのは5系統のみである。そこで、未解析の1系統について、次世代シークエンサーを用いて全ゲノム配列を解析した。基準系統のColと比較したところ、多数のSNPを持つことが明らかとなった。
明確な夏型タイプの発芽を示した10系統は、SNPを利用したゲノムワイドなRAD-seq解析により、6つの異なるグループに分けられている。この6グループは、遺伝的（進化的）距離が大きく離れる2つのグループに大別される。グループ内およびグループ間において、夏型と冬型の分化をもたらした遺伝子座の関係を明らかにするため、新たなF2集団を別の組み合わせで作出した。
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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
本研究開始までの解析や交配などの準備が整っていたこともあり、F2世代の発芽および遺伝型の解析が予定通り実施できた。また、高温条件における発芽を支配する比較的効果の大きな遺伝子座がゲノムの2ヶ所に検出されたことにより、予定通りBIL（NIL）系統作出のためのバッククロスを開始することができた。同時に、組換え自殖系統（RIL）の作出も開始できたため、より感度の高いQTL解析のための基盤が形成されている。
2019年度にF2解析を行った系統の組み合わせでは、低温条件での発芽形質の分離が極端に冬型タイプに偏っていたため、効率的で感度の高いQTLの検出が困難と判断した。このため、特に低温条件での発芽形質が顕著に異なる別の組み合わせでF2集団を作出し、発芽形質の解析が終了している。こちらの組み合わせにおいても、低温条件の発芽が複数の遺伝子座に支配され、高温条件の発芽を支配する遺伝子座とは異なることを示唆する結果を得た。また、発芽形質に極端な偏りが認められないため、低温条件の発芽を支配する遺伝子座の検出がF2世代の分析から十分に可能と判断している。なお、この組み合わせに用いた夏型の温度反応性を示す系統のゲノム配列は公開されていないため、独自に解析し、結果を得た。このデータはGWASを利用した解析に利用する。
全体として、研究分担者と随時連絡を取り、分子マーカーを用いたF2世代のジェノタイピングと、新たなマッピング集団の作成を適切な時期に、また迅速に実施できたことが順調な進捗につながっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
新型コロナウイルス対応により実験実施を自粛しているため、2020年度の研究開始が遅れているが、実験ができるようになり次第、感染防止に十分に配慮しながら再開を予定している。
＜高温条件の発芽を支配する遺伝子の同定＞：QTLが検出された5番染色体下腕、ないしは2番染色体下腕のみが夏型系統由来のBIL（NIL）系統の確立のため、バッククロスを継続する。この際、発芽形質と遺伝型の解析を行い、いずれかの領域のみを持つ系統が作出された段階でマッピング集団を作成し、ファインマッピングを開始する。また、RIL系統確立のため、自殖を継続して行う。
＜低温条件の発芽を支配する遺伝子の同定＞： 2019年度に新たに作成したF2集団を用い、低温条件の発芽を支配する遺伝子座の検出を行う。また、RIL系統の作出を行うとともに、主要なQTL遺伝子座が検出された場合はBIL（NIL）系統を作出する。
＜全ゲノム配列の解析＞：GWASについては、ゲノム配列が決定されている夏型の発芽を示す系統の数が少ないため、現時点では行っていない。一方、GWASによる解析を分子マーカーを用いた解析と組み合わせることにより、発芽のフェノロジーを決める遺伝子座のより速やかな決定につながると期待される。そこで、2020年度は未解析の系統の全ゲノム配列をできる限り決定し、早期のGWAS解析着手を目指す。
＜夏型と冬型種子における遺伝子発現の解析＞：温度による発芽制御における夏型と冬型の特異性と共通性を明らかにするため、トランスクリプトームおよび植物ホルモン関連遺伝子の発現に対する吸水温度の影響を、RNAseqおよびリアルタイムPCR法により比較解析する。
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| Causes of Carryover |
QTL解析が予定よりも進行し、遺伝子発現解析の実施を次年度に繰り越したため。2020年度において、RNAseqによるゲノムワイドな遺伝子発現解析を実施する予定である。
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