2016 Fiscal Year Annual Research Report
Biological synchronization in natural environments
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26221106
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
工藤 洋 京都大学, 生態学研究センター, 教授 (10291569)
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| Project Period (FY) |
2014-05-30 – 2019-03-31
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| Keywords | フェノロジー / トランスクリプトーム / 遺伝子発現 / ヒストン修飾 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
自然環境下での生物同調現象を理解することを目的に、分子遺伝学的アプローチと生態学的アプローチを融合した研究を行う。モデル植物シロイヌナズナを用いた解析と近縁のハクサンハタザオ自然集団の長期モニタリングとを組み合わせて、①因子同定、②機能理解③応答利用の観点から、植物の季節同調を研究する。
①シロイヌナズナにおける繁殖期間終了の遺伝的変異を利用して、植物の繁殖期間終了を制御する因子を同定することを目的とした研究を実施した。原因遺伝子の同定を目指して、26-27年度シーズン（シロイヌナズナは秋発芽、初夏生育終了）に引き続き、27-28年度シーズンも生育終了を決定する因子に変異を起こしたミュータントラインのスクリーニングを実施して候補ラインを得た。そのうち6ラインについてリシーケンスを行い、ゲノム配列を決定した。現在塩基多型(SNP)解析が進行中である。また、野生型のRNA-Seqとsmall-RNA時系列データを取得した。
②自然の複雑な状況における機能に焦点を当て、自然集団の時系列ヒストン修飾解析を実施している。ヒストン修飾（活性修飾H3K4me3と抑制修飾H3K27me3）について、鍵となる花成抑制因子FLCについては2週間毎に2年間のデータを得た。全ゲノムについては１ヶ月回毎に１年間のデータを取得し、環境の長期傾向に対する応答を解析した。その結果、2週間以上の気温の長期傾向に応答する遺伝子のリストを作成することができた。また、日長と気温の年間位相差を操作する実験の解析を終了し、野外の昼夜変温を再現する実験を開始した。
③トランスクリプトームをバイオマーカーとし、植物を「環境測器」として利用する。バイオマーカー利用の対象をウイルス量とし、ウイルス量の季節動態と温度依存性を調べた。また、推定モデルの作成を開始した。
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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
本研究は、生育終了の同調をもたらしている因子の同定（①）、複雑な自然条件下での時系列ヒストン修飾解析による機能理解（②）、トランスクリプトームのバイオマーカーとしての利用（③）を目指している。以下のように、当初の予定通り、進行している。
①においては、分子フェノロジーに関する重要なコンセプトを定義するとともに、連続播種実験による同調の定量を定式化した。それを用いて、バーナリゼーション応答の機能が同調であること示した。生育終了という新規の同調現象をシロイヌナズナの複数系統で定量した。生育終了が遅れる変異体の1次・2次スクリーニングの結果、26系統を得た。選抜系統6系統のリシーケンスを実施するとともに、野生型のRNA-Seq, small-RNA時系列データを取得した。
②においては、ハクサンハタザオの自然集団2年間のトランスクリプトームをモデリングした。10,000以上の遺伝子に季節変動という新規アノテーションを与えた。日長と気温の位相差を操作して栽培し、時系列トランスクリプトームを解析した。フィールド・ChIP（クロマチン免疫沈降）法を確立し、FLC遺伝子領域における2年間のヒストン修飾動態のデータを取得した。数理シミュレーションにより、FLC遺伝子が気温の長期傾向にのみ応答するしくみとしてH3K4me3とH3K27me間のフィードバック制御の役割を示唆した。全ゲノム、H3K4me3・H3K27me3の季節動態データをChIP-Seq法により取得した。両修飾の位相差解析により、長期傾向への応答が予想される遺伝子をリストした。
③においては、トランスクリプト―ムとウイルス量を同時検出するデュアルRNA-Seq法を確立した。カブモザイクウイルス（TuMV）量が季節と同調して変動することを見出した。操作実験により、全身感染におけるTuMVの増殖・移動速度の温度依存性を検出した。
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| Strategy for Future Research Activity |
①因子同定については、工夫した栽培実験で新規に発見された‘生育終了’の同調をもたらしている鍵因子を同定し、機能を解析することを目指して以下のことを実施する。選抜系統の原因SNPを探索・T-DNA挿入系統を用いた表現型評価実験（閉鎖系温室の利用）・生育終了時に発現が変化する遺伝子・smallRNAのリスト作成・選抜系統と野生型とのF2を作成と解析。
②機能理解については、自然の複雑な状況における機能に焦点を当てた自然集団の時系列ヒストン修飾解析を実施し、機能を理解することを目指して以下のことを実施する。ヒストン修飾の位相差解析から選出された遺伝子についての長期環境応答を検証する室内実験・自然条件で見られる競合または自己被陰に対する応答の機能を理解するための操作実験。
③応答利用については、トランスクリプトームをバイオマーカーとし、植物を環境測器として利用することを目指して以下のことを実施する。ウイルス量を遺伝子発現から推定することを具体的な目標とした、宿主遺伝子発現によるウイルス量推定モデルの構築・複数年のウイルス動態・宿主トランスクリプトームデータによるモデルの検証。
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[Journal Article] Genome sequence and analysis of the Japanese morning glory Ipomoea nil.2016
Author(s)
Hoshino A, Jayakumar V, Nitasaka E, Toyoda A, Noguchi H, Itoh T, Shin T, Minakuchi Y, Koda Y, Nagano AJ, Yasugi M, Honjo MN, Kudoh H, et al.
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 7
Pages: 132395
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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