孤児作物在来品種の機能性向上を目指した高効率育種システムの確立

• Project/Area Number: 19KK0151
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 39:Agricultural and environmental biology and related fields
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 大澤 良 筑波大学, 生命環境系, 教授 (80211788)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 磯部 祥子 公益財団法人かずさDNA研究所, 先端研究開発部, 室長 (20343973) ; 吉岡 洋輔 筑波大学, 生命環境系, 准教授 (50462528) ; 白澤 健太 公益財団法人かずさDNA研究所, 先端研究開発部, 主任研究員 (60527026) ; 星川 健 国立研究開発法人国際農林水産業研究センター, 生物資源・利用領域, 任期付研究員 (70634715)
• Project Period (FY): 2019-10-07 – 2022-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥18,330,000 (Direct Cost: ¥14,100,000、Indirect Cost: ¥4,230,000); 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: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: アマランサス / 孤児作物 / QTL / GWAS / ゲノム編集

Outline of Research at the Start

孤児作物の在来品種は開発途上国の食料安全保障に重要な役割を果たしている。開発途上国の栄養改善を図るためには、各地の環境に高度に適応した在来品種の遺伝的背景をできるだけ変えずに、栄養・呈味成分のみを効率的に改良するための技術を確立し、育種に導入することが効果的である。本課題では熱帯野菜の一つである葉菜アマランサスをモデルとして、遺伝資源のハイスループット・フェノタイピング、次世代シーケンス解析を用いたゲノム情報解析、ゲノム編集技術による変異体の効率的な作出技術等の研究基盤をもつ国内外の研究機関が連携し、従来型の孤児作物の育種工程を根本的に変革する高効率育種システムを構築する。

Outline of Annual Research Achievements

本課題では3年間の研究実施期間を通して、葉菜アマランサス（ヒユナ）をモデルとして、栄養・呈味成分に関連する主要な遺伝子領域を網羅的に同定するとともに、遺伝的背景を変えずに栄養・呈味成分のみを短期間で改良するための技術と知見を獲得することを目標としている。令2年度の具体的な研究内容とその成果は次の通りである。
遺伝資源の評価と有望系統の探索では、世界野菜センター（WorldVeg）と米国農務省ジーンバンクが保有するヒユナ遺伝資源計450点について、世界野菜センターのフィールドフェノミクス装置（LeasyScan、Phenospex社）を用いて、表現型（生態的・形態的形質）に関わる種々のデータを取得した。
ゲノムワイド関連解析の材料となるヒユナ遺伝資源494点（WorldVeg及び米国農務省ジーンバンクから入手）について、昨年度に取得したRAD-SeqデータをAmaranthus hypochondriacusの全ゲノムデータおよびヒユナの全ゲノムデータ（未公開）を参照配列として解析し、SNPデータを取得した。また、得られたSNPデータに基づいて多様性と各系統の類縁関係を明らかにするとともに、コアコレクション（100系統）を構築した。なお、一部の遺伝資源は種の誤同定が疑われたため、葉緑体DNAのmatK領域の塩基配列情報に基づいて種の再同定を行った。さらに、量的形質遺伝子座（QTL）解析のための材料作出のため、親子鑑定用DNAマーカー（SSR）を選定し、ヒユナ遺伝資源2系統間の交雑後代（F1およびF2世代）を採種した。
逆遺伝学的手法による効率的育種法の構築に向けて、葉菜アマランサスに適用可能な新しいゲノム編集技術を確立するために、ヒユナ品種「バイアム」の子葉、胚軸、上胚軸等を用いた組織培養実験を行い、再分化条件を検討した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度に計画していた遺伝資源の表現型評価、ゲノムワイド関連解析およびQTL解析の準備、及び逆遺伝学的手法による効率的育種法の確立に向けた実験が順調に進んだ。令和2年度には日本側研究者3名をWorldVegに派遣する予定であったが、新型コロナウイルスの問題により延期となった。ただし、渡航時期が大幅にずれたものの、2021年1月から1名を世界野菜センターに派遣したこと、また、渡航できなかった時期には世界野菜センターの共同研究者との連絡を密にし、リモートで研究を実施したことから、当初の予定通りの成果が得られた。

Strategy for Future Research Activity

次年度は当初の計画通り、遺伝資源の評価と有望系統の探索、遺伝資源のゲノムワイド関連解析と分離集団を用いた量的形質遺伝子座解析、及び逆遺伝学的手法による効率的育種法の構築に関わる以下の実験を行う。
遺伝資源の評価では、WorldVegにおいて本年度に構築したコアコレクション（100点）の栄養・機能性（ビタミン類、ベタレイン）と呈味成分（糖度、シュウ酸）を測定する。これまでに得られた表現型データとジェノタイピングデータを用いて、ゲノムワイド関連解析を行い、生態的・形態的形質、栄養・機能性成分および呈味成分に関わる遺伝子座を明らかにする。
量的形質遺伝子座（QTL）解析については、F2世代約400個体を栽培し、主に幼苗におけるベタレイン含量と生態的・形態的形質を評価するとともに、RAD-Seq解析によりSNPデータを取得し、ベタレイン含量等に関わる遺伝子座を明らかにする。また、ヒユナの全ゲノム配列から、GWASおよびQTL解析で検出された主要形質に関わる遺伝子座に含まれる遺伝子を網羅的に抽出し、主要形質に関与する候補遺伝子を明らかにする。
効率的育種法の構築では、葉菜アマランサスの組織培養の実験系の確立に向けて、引き続き組織培養の各種条件を検討する。