網羅的画像解析による育種家の感性のモデル化とカンキツ果実形質の遺伝システムの解明

• Project/Area Number: 19J40071
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 39010:Science in plant genetics and breeding-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Research Fellow: 藤井 舞 東京大学, 大学院農学生命科学研究科, 特別研究員(RPD)
• Project Period (FY): 2020-01-06 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2019: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
• Keywords: カンキツ / 果実 / 画像

Outline of Research at the Start

カンキツは国内外ともに生産量が最も多い重要な果樹である。カンキツの果実形質の多くは育種家の感性により定性的に評価されているため、果皮色、剥皮性、果実形などの多様で連続的な変異が存在する果実形態を十分に評価できていない可能性がある。本研究では、果実断面画像の網羅的解析により、果実形態を客観的かつ定量的に評価することで、定性的評価では見逃されていた可能性のある形質をより精緻に評価できると考えた。育種家の感性の指標となるカンキツ果実の形態的特徴を明らかにすることができれば、科学的かつ育種実学的にも非常に重要な知見が得られる可能性がある。

Outline of Annual Research Achievements

カンキツの育種において、果実形質の多くは育種家の感性により評価されているが、育種家の感性による定性的評価では多様で連続的な変異を十分に評価できていない可能性がある。そこで本研究では、カンキツ果実断面の画像解析により、果実形態の特徴を客観的かつ定量的に評価する方法を検討した。また、剥皮性の指標となる果実形態の特徴を明らかにするために、定性的に評価された剥皮性と、定量的に評価された果実形態の特徴との関係を、機械学習のモデルを用いて表現した。
プログラミング言語Pythonを用い、カンキツ品種群の果実断面の画像から、果実の面積、果皮や果肉の面積や色などの果実形態を定量的に評価する方法を開発した。
育種家の感性により定性的に評価された剥皮性と、画像解析により定量的に評価された果実形態の特徴との関係は、線形及び、非線形の回帰手法を用いてモデル化を行った。その結果、果芯の崩壊程度た、フラベドの赤方向の色（Lab色空間のa空間）の値が大きいほど、また、果実の面積や円形度の値が小さいほど、剥皮を容易にしている可能性が示された。
次に、果実の横断面の画像を用いて、剥皮の難易を判別する深層学習のモデルを学習させた。この学習済みのモデルを用いた勾配重み付けクラス活性化マッピング法（Grad-CAM）により、剥皮の難易の判別に寄与する果実形態の特徴を可視化した。その結果、フラベド、アルベド、果肉、果芯の崩壊領域の特徴が、剥皮の難易の判別に有意に寄与していることが示された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

プログラミング言語Pythonを用い、カンキツ品種群の果実断面の画像から、多数の果実形態を定量的に評価する方法の開発に成功した。また、剥皮性の指標となる果実形態の特徴を明らかにした。

Strategy for Future Research Activity

マーカー遺伝子型情報と、定量的に評価された果実形態の情報を組み合わせた、ゲノムワイドアソシエーション（GWAS）やゲノミック予測（GS）を行い、剥皮性の遺伝システムの解明を目指す。

Research Products

• [Journal Article] Tracing founder haplotypes of Japanese apple varieties: application in genomic prediction and genome-wide association study (2021)
  • Author(s): Minamikawa Mai F.、Kunihisa Miyuki、Noshita Koji、Moriya Shigeki、Abe Kazuyuki、Hayashi Takeshi、Katayose Yuichi、Matsumoto Toshimi、Nishitani Chikako、Terakami Shingo、Yamamoto Toshiya、Iwata Hiroyoshi
  • Journal Title: Horticulture Research Volume: 8 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1038/s41438-021-00485-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Allelic composition of carotenoid metabolic genes in 13 founders influences carotenoid composition in juice sac tissues of fruits among Japanese citrus breeding population (2021)
  • Author(s): Fujii Hiroshi、Nonaka Keisuke、Minamikawa Mai F.、Endo Tomoko、Sugiyama Aiko、Hamazaki Kosuke、Iwata Hiroyoshi、Omura Mitsuo、Shimada Takehiko
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 16 Pages: 1-34
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0246468
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 果実の画像解析を用いたカンキツ剥皮性のモデル化 (2021)
  • Author(s): 南川 舞, 野中 圭介, 浜田 宏子, 清水 徳朗, 岩田 洋佳
  • Organizer: 日本育種学会第139回講演会
• [Presentation] データ駆動型育種プラットフォームとそれを支える API 群の開発 (2021)
  • Author(s): 岩田 洋佳, 本多 周平, Julien Diot, Juan Cesar D. Pined, Agus Setiawan, 稲森 稔, 切江 志龍, 南川 舞, 野中 圭介, 清水 徳朗, Jessica Tressou, Rassarin Chinnachodteeranun, 本多 潔
  • Organizer: 日本育種学会第139回講演会
• [Presentation] リンゴ祖先ハプロタイプ 情報を用いたゲノミック予測とゲノムワイド関連解析 (2020)
  • Author(s): 南川 舞，國久 美由紀，野下 浩司, 森谷 茂樹，阿部 和幸，林 武司，片寄 裕一，山本 俊，岩田 洋佳
  • Organizer: 日本育種学会第138回講演会
• [Presentation] Genomic prediction (GP) and genome-wide association study (GWAS) using founder haplotypes of apple (2020)
  • Author(s): Mai Minamikwa, Miyuki Kunihisa, Toshiya Yamamoto, Hiroyoshi Iwata
  • Organizer: China-Japan-Rok Quality Agriculture Seminar
  • Int'l Joint Research / Invited