イネ冷害におけるエピジェネティックな制御機構の解明

• Project/Area Number: 18H03947
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 39:Agricultural and environmental biology and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 東谷 篤志 東北大学, 生命科学研究科, 教授 (40212162)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 寺西 美佳 東北大学, 生命科学研究科, 助教 (10333832) ; 下野 裕之 岩手大学, 農学部, 教授 (70451490) ; 工藤 洋 京都大学, 生態学研究センター, 教授 (10291569)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥43,810,000 (Direct Cost: ¥33,700,000、Indirect Cost: ¥10,110,000); Fiscal Year 2022: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2021: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000); Fiscal Year 2020: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000); Fiscal Year 2019: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000); Fiscal Year 2018: ¥11,310,000 (Direct Cost: ¥8,700,000、Indirect Cost: ¥2,610,000)
• Keywords: イネ低温障害 / エピジェネティック制御 / 温度ストレス / 生殖成長 / ヒストン修飾 / 穂ばらみ期耐冷性 / 水温

Outline of Annual Research Achievements

イネの低温障害（冷害）は、地球規模での気候変動の拡大により、その発生リスクが懸念されている。しかし、その本質的なメカニズム解明には至っていない。本研究では、イネの冷害にみられる大規模な遺伝子発現の制御や温度メモリー効果の実体が、エピジェネティックなゲノム変化に起因するという作業仮設を検証することを目的としている。
2020年度は、前年度に引き続き古川農業試験場の協力を得て、冷害を生じやすい低温感受性品種ササニシキ、耐冷性品種ひとめぼれを、通常の圃場と耐冷性検定圃場（19℃の深水冷水かけ流し圃場）でそれぞれ栽培し、発達初期の幼穂（約1ｇ）ならびに穂ばらみ期の葯（約0.5ｇ)をサンプリングした。それらのサンプルを用い、京都大学との共同研究により、ヒストンH3の修飾抗体であるH3K4me3、 H3K27me3抗体によるChIP解析、ならびにRNA seqによる網羅的な遺伝子発現解析を行った。また岩手大学の分担チームは、栄養成長期の高温処理が、その後の穂ばらみ期の冷害処理に及ぼす影響に関して、昨年度から継続して京都大学との共同研究により、RNA seqならびにChIP解析により調べた。いずれの実験からも、遺伝子発現変動とヒストンH3のエピジェネティックな修飾の変化を捉えることができた。また岩手大学の分担チームでは、施肥窒素が穂ばらみ期耐冷性に影響を及ぼすこと、その効果には品種間差異がある可能性を見出した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

2020年度に古川農業試験場の協力を得て実施したササニシキ、ひとめぼれの通常栽培と低温処理の最終的な種子稔性は、通常栽培ではいずれの品種も9割を超えたが、19℃の冷水かけ流し圃場では、ササニシキの稔性が5割、ひとめぼれは8割となり、前年度と同様に温度に依存した品種間差が正しく観察された。このことから、耐冷性検定圃場にて得られた研究サンプルの有用性を示すことができた。さらに、この圃場において得られた冷害処理サンプルと通常圃場のサンプルを用い、RNA seqならびにChIP解析のデータを2年分蓄積することができた。また岩手大学では、イネの低温障害のメカニズム解明に至る新たな方向性として、施肥窒素が耐冷性のメモリー効果に影響を及ぼす可能性を見出すことができ、当初の目的としたイネ低温障害の本質的なメカニズムに迫る研究は展開できている。
しかしながら、covid-19対策に伴う研究活動の制限と、地域間の移動制限に伴い、回収したサンプルの解析に関して、数ヶ月程度の遅れが生じることとなった。そのため、研究の進捗状況としてはおおむね順調に進展していると判断しているが、2020年度の当初の計画から一部繰越金が生じることとなった。

Strategy for Future Research Activity

2021年度も継続して古川農業試験場の協力を得ながらサンプルを回収し、再現性を確認するとともに、既に得られた2年分のデータに関して、大規模データの比較分析と可視化を行う。また、岩手大学では、新たに見出した施肥の影響について、エピゲノムの観点からそのメカニズム解明を目指す。さらには、多数の品種を用いた解析を行うことで、エピジェネティックな効果をQTLなどで攻めることが可能になると考えられる。これらの方策を通じ、イネ低温障害の本質的なメカニズムに迫ることを目指す。

Research Products

• [Journal Article] イネ冷害におけるエピゲノム変化 (2020)
  • Author(s): 東谷篤志、畠山隆平、寺西美佳、村中智明、濱野郁哉、下野裕之、工藤洋
  • Journal Title: アグリバイオ Volume: 4 Pages: 576-580
  • NAID: 40022337816
• [Journal Article] Divergent evolution of rice blast resistance Pi54 locus in the genus Oryza (2018)
  • Author(s): Zhang Lin、Nakagomi Yusuke、Endo Takashi、Teranishi Mika、Hidema Jun、Sato Shusei、Higashitani Atsushi
  • Journal Title: Rice Volume: 11 Pages: 63-63
  • DOI: 10.1186/s12284-018-0256-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] イネ冷害におけるエピジェネティックな変化の影響 (2020)
  • Author(s): 畠山隆平、村中智明、西尾治幾、本庄三恵、石森裕貴、遠藤貴司、寺西美佳、工藤洋、東谷篤志
  • Organizer: 第62回 日本植物生理学会年会
• [Presentation] イネいもち病抵抗性遺伝子Pi54の起源とジャポニカイネにみられる消失 (2019)
  • Author(s): 張琳、寺西美佳、佐藤修正、中込祐介、遠藤貴司、日出間純、東谷篤志
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] Effect of Grafting on Drought Tolerance in Solanum lycopersicum (2019)
  • Author(s): Maria Isabel Fuentes Merlos, Makoto Endo, Shusei Sato, Atsushi Higashitani
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会年会
• [Presentation] イネ穂ばらみ期耐冷性のエピジェネティックな制御を評価する手法の検討 (2019)
  • Author(s): 濱野郁哉、塩井健一朗、下野裕之
  • Organizer: 第247回日本作物学会 2018年度全国大会
• [Presentation] いもち病抵抗性遺伝子Pi54座のイネ属における分子進化 (2018)
  • Author(s): 張琳、中込佑介、遠藤貴司、寺西美佳、日出間純、佐藤修正、東谷篤志
  • Organizer: 日本遺伝学会第90回大会
• [Presentation] 異なる生育時期における高電圧パルスがイネの生産性に及ぼす影響 (2018)
  • Author(s): 濱野郁哉、宮本海、塩井健一朗、高橋克幸、高木浩一、颯田尚哉、下野裕之
  • Organizer: 第246回日本作物学会 2018年度全国大会
• [Presentation] Strategies for improving crop productivity under a changing climate: A case study in Japan. (2018)
  • Author(s): Shimono H
  • Organizer: Korean Crop Science Society, Cooperation for improving North Korea food productivity
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] フィールド・トランスクリプトミクス/エピゲノミクス：分子フェノロジーにみる植物の長期環境応答 (2018)
  • Author(s): 工藤洋
  • Organizer: 第50回種生物シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 抑制型ヒストン修飾 H3K27me3におけるエピジェネティックランドスケープの季節変化 (2018)
  • Author(s): 工藤洋
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] Field epigenetics: seasonal analyses of histone modifications in a natural plant population. (2018)
  • Author(s): 工藤洋
  • Organizer: 4th East Asia Agricultural Genome Scientists Forum.
  • Int'l Joint Research / Invited