Elucidation of adaptive and neutral evolution processes in Fagus crenata using population genomics

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H03027
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 戸丸 信弘 名古屋大学, 生命農学研究科, 教授 (50241774)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鳥丸 猛 三重大学, 生物資源学研究科, 准教授 (10546427) ; 内山 憲太郎 国立研究開発法人森林研究・整備機構, 森林総合研究所, 主任研究員 等 (40501937)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 一塩基多型 / RAD-seq / ドラフトゲノム / 遺伝的多様性 / 集団構造 / 適応 / 環境勾配

Outline of Annual Research Achievements

以下の研究成果が得られた。
（1）ブナのドラフトゲノムの作成
ゲノム配列の精緻化と配列長の拡張を目的として、既存のブナのドラフトゲノムに対してオプティカルマッピングとBionano access、およびOmni-CとHiRiseによるハイブリッドスキャホールディングを実施し、最後にフリーソフトLR_Gapcloserにてgap closingを行った。その結果、アセンブリサイズは約699Mbp、スキャホールド数は19本、スキャホールドN50は約78.1Mbp、BUSCO解析におけるコア遺伝子セットの95.7％（Single:87.4%, Double:8.3%）を網羅する配列が得られた。一方、Gapサイズが総塩基配列長の18.5％（約129Mbp）となり、類似した反復配列領域同士を誤って連結した可能性があり、引き続きアセンブリ解析を最適化する必要が考えられた。
（2）ブナの集団構造の解明および適応進化に関わる遺伝子の探索
分布域全体から選定した24集団の合計384個体を用いて、ddRADシーケンシングを行い、4604座のSNPが得られた。それらの中から、マーカー間の距離を考慮して選んだ1741座を用いて解析を行い、集団構造のパターンを明らかにした。次ぎに全座のデータを用い、中立進化からの逸脱や生育地間の環境変異との相関について解析する3種類のプログラムを用いて適応的遺伝子の探索を行ったところ6座が有意であった。6座の両端1000bpの塩基配列を抽出しNCBIデータベースに対してblast検索を行って近傍に存在する候補遺伝子を探索し、さらに文献調査からその機能を推定した。その結果、乾燥などのストレス耐性に関与する遺伝子などが複数検出された。また、アレル頻度の地理的パターンは気候勾配と関連していた。したがって、これら6座は適応進化に関わる遺伝子の有力な候補であることが示された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

ドラフトゲノムの作成において完全ではないもののリファイレンスゲノム配列を取得して、集団ゲノミクス解析を効果的に行うことができた。その結果、集団構造が解明され、適応進化に関わる遺伝子の有力な候補を6座検出することができた。したがって、概ね順調に進展していると判断できる。

Strategy for Future Research Activity

ドラフトゲノムの作成においては、アセンブル解析を最適化させることによって最終的なゲノム配列を取得するとともに、遺伝子機能のアノテーションを行い、ドラフトゲノムを完成させる。また、集団ゲノミクス解析では、今回得られたデータを用いてコアレッセント理論に基づき集団の歴史を推定する。さらにゲノムワイド関連解析を行い、適応的遺伝子の探索を行う。

Research Products

• [Journal Article] Assessments of fine-scale spatial patterns of SNPs in an old-growth beech forest (2020)
  • Author(s): Tukamoto, M., Akada, S., Matsuda, S., Jouyu, H., Kisanuki, H., Tomaru, N., and Torimaru, T.
  • Journal Title: Heredity Volume: 125 Pages: 240-252
  • DOI: 10.1038/s41437-020-0334-8
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ブナの分布域における集団構造パターンと気候勾配に関連した適応的遺伝変異 (2021)
  • Author(s): 三須直也, 内山憲太郎, 鳥丸猛, 中尾勝洋, 戸丸信弘
  • Organizer: 第132回日本森林学会大会
• [Presentation] 産地試験林を用いたブナのゲノムワイド関連解析 (2020)
  • Author(s): 藤森悠茉, 三須直也, 内山憲太郎, 三須直也, 後藤晋, 高橋誠, 鳥丸猛, 戸丸信弘
  • Organizer: 森林遺伝育種学会第9回大会
• [Presentation] ブナの乾燥関連性遺伝子における一塩基多型の探索 (2020)
  • Author(s): 榊原朱望, 鳥丸猛, 赤田辰治, 石原正恵, 石井弘明, 東若菜, 戸田求
  • Organizer: 第10回中部森林学会大会
• [Presentation] SSR マーカーと SCoT マーカーを用いたブナ集団の地理的な遺伝的変異パターンの比較 (2020)
  • Author(s): アジマン優仁, 鳥丸猛, 石原正恵, 石井弘明, 東若菜, 戸田求
  • Organizer: 第10回中部森林学会大会