2023 Fiscal Year Final Research Report

Molecular basis underlying color pattern diversification through chromosomal inversions within a single gene

Research Project

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Project/Area Number	20H03003
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Basic Section 39050:Insect science-related
Research Institution	Kyoto University (2021-2023) National Institute for Basic Biology (2020)
Principal Investigator	Ando Toshiya 京都大学, 白眉センター, 特定准教授 (10709744)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	新美輝幸基礎生物学研究所, 進化発生研究部門, 教授 (00293712) 藤本章晃岩手大学, 農学部, 特任助教 (10868102) 佐原健岩手大学, 農学部, 教授 (30241368)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	ナミテントウ / 染色体逆位 / 種内多型 / エピジェネティクス / ゲノム編集 / 形態進化 / パターン形成
Outline of Final Research Achievements	Recent advances in genomics have led to identifying loci associated with morphological polymorphism within species in several insects. In the present study, using the color pattern diversification of the harlequin ladybugs, we aimed to elucidate the molecular basis of phenotypic diversification associated with chromosomal inversions. We took advantage of the fact that only a single gene is affected by the chromosomal inversions that have resulted in more than 200 color pattern polymorphisms in the harlequin ladybugs. Specifically, we established three experimental systems: (1) analysis of epigenomic information crucial for transcriptional regulation of pannier, (2) functional analysis of transcriptional regulatory sequences by genome editing, and (3) analysis of gene regulatory networks centered on the pannier to elucidate the molecular basis of color pattern diversification.
Free Research Field	進化生物学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	本研究により、ナミテントウの染色体逆位をきっかけとした模様の多様化が、単一遺伝子pannierの「転写制御配列の不活化・獲得」によって生じたことが判明した。従来、逆位が引き起こす表現型進化は、内部の遺伝子群（超遺伝子）の複合的な変異蓄積により生じると考えられていたが、それが単一遺伝子の機能変遷により生じることが判明した。本研究は、表現型進化の新たな機構の一端を明らかにしたという学術的意義を有する。本研究で開発したゲノム編集技術は、非モデル昆虫であるナミテントウで確立できた技術であり、今後、害虫・益虫を含む他の非モデル昆虫に応用することで多様な表現型進化の理解と操作が可能になると期待される。