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コムギ交雑種子形成不全へのエピジェネティック修飾の影響

公募研究

研究領域植物新種誕生の原理―生殖過程の鍵と鍵穴の分子実態解明を通じて―
研究課題/領域番号 19H04863
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 生物系
研究機関神戸大学

研究代表者

宅見 薫雄  神戸大学, 農学研究科, 教授 (50249166)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2021-03-31
研究課題ステータス 交付 (2020年度)
配分額 *注記
8,580千円 (直接経費: 6,600千円、間接経費: 1,980千円)
2020年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2019年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
キーワード遺伝学 / ゲノム / 生殖隔離 / 種間交雑 / 異質倍数性進化 / ゲノム解析
研究開始時の研究の概要

異質倍数性進化は特に高等植物において新たな種を誕生させる強力なプロセスである。異質倍数性進化には、2つの異なる近縁種間で発芽可能な交雑種子が形成されることが必須である。二粒系コムギに近縁4倍種の花粉を交雑してできた種子に胚が正常に発生するのかどうかについて、種間及び種内変異が存在する。また、胚が正常に発生する交雑種子と無胚となる交雑種子では遺伝子発現プロファイルが異なる。この正常な交雑種子の形成の可否に対して、インプリンティグ遺伝子の関与を、両親間の発現プロファイルとDNAメチル化状態の差異から検討し、交雑種子でのDNAメチル化とクロマチン修飾の全ゲノム解析につなげることを目的とする。

研究実績の概要

高等植物では異質倍数性進化が新たな種成立の重要な原動力となっているが、2つの異なる近縁種間の雑種形成がスタートとして重要であり、発芽可能な交雑種子の形成は必須である。コムギ・エギロプス属は種間交雑と異質倍数性進化によって過去に何度も新種を誕生させてきた。しかし、近縁種ゲノムは2倍体レベルで分化しており、全ての交雑組み合わせで自由に雑種が作出できるわけではない。二粒系コムギに近縁4倍種を交雑した場合、交雑種子が正常に形成されるかどうかのレベルで生殖隔離が認められる。そこでコムギ近縁種間の交雑種子形成に着目し、交雑種子形成の成否を決める要因の解明を目的とする。これまでにトランスクリプトームの比較解析から、多くの遺伝子の発現変動を明らかにしてきた。そこで、異常発現を示した遺伝子のインプリンティングに着目し、エピジェネティック修飾とそれぞれの親から受け継いだアリルの発現の関係について明らかにする。
今年度は、二粒系コムギ品種に4倍体エギロプスAegilops cylindricaやAegilops variabilisの花粉を交雑してできる無胚種子については種子の発達段階を追ってRNA-seq解析を行った。まず、交雑親と交雑種子の全ての条件の発現データに関して主成分分析を行い、サンプル間・時点間の発現傾向の違いを調べた。次に、各時点で交雑親と交雑種子の発現を比較した場合のdifferently expressed gene (DEG)を抽出した。並行して、交雑種子における発現がどちらの親アリル由来であるかを判別するための解析を行った。アリルの精度を評価するためにBubble-parseを使用した。無胚の交雑種子は有胚の交雑種子と比べて発生の初期から父親ゲノムの影響を強く受けており、かつ発生初期の遺伝子発現の制御に異常が生じて、胚乳に貯蔵すべき物質を代謝・蓄積できず種子が崩壊していったと考えられた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

二粒系コムギ品種Langdon (Ldn)に、4倍体エギロプスから2種類の交雑(Ldn/Aegilops cylindricaとLdn/Aegilops variabilis)を行い、受粉後の日にちを追って交雑種子から質の高いRNAを抽出し、RNA-seq解析を行った。当初の予定通り、RNA-seqが進んだ。有胚の交雑種子は遅れながらも種子親であるLdnの発生を後追いする形で遺伝子発現が変化していた。貯蔵タンパクや脂質合成・輸送に関連する遺伝子と、細胞死に関連する遺伝子の発現が無胚の種子では異なっていた。また、二群間比較によって無胚の種子のみでみられるDEGを多く検出された。無胚種子では3日目にmiRNAやヒストン修飾による遺伝子の発現制御に関わる遺伝子の発現が低下し、11日目に細胞・核分裂に関わる遺伝子の発現が上昇していることがわかった。さらに、交雑種子の発現がどちらの親アリル由来であるかを解析した結果、無胚の交雑種子では有胚の交雑種子に比べて早期から父親アリル由来の発現割合が上昇していることがわかった。以上の結果から、無胚の交雑種子は有胚の交雑種子と比べて発生の初期から父親ゲノムの影響を強く受けており、かつ発生初期の遺伝子発現の制御に異常が生じて、胚乳に貯蔵すべき物質を代謝・蓄積できず種子が崩壊していったと考えられた。

今後の研究の推進方策

今後は無胚の交雑種子形成過程で発現量に異常が認められた遺伝子のうち、胚乳でインプリンティングを受けるとされている遺伝子について、実際にインプリンティングを受けているのかの検証を行う必要がある。実際には、両親のいずれに由来するのかが異常な転写量と関連している遺伝子に関して、同祖遺伝子間の多型を利用して、発達途中の交雑種子のDNAを用いたbisulfiteシークエンシングによってメチル化部位の修飾状況について解析を行う。さらにはゲノム全体を俯瞰したクロマチン修飾状態の変動などのChIP-seq解析も視野に入れる必要があるだろう。

報告書

(1件)
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (16件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 5件、 招待講演 1件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] Heterologous expression of wheat WRKY transcription factor genes transcriptionally activated in hybrid necrosis strains alters abiotic and biotic stress tolerance in transgenic Arabidopsis2020

    • 著者名/発表者名
      Kuki Yasunobu、Ohno Ryoko、Yoshida Kentaro、Takumi Shigeo
    • 雑誌名

      Plant Physiology and Biochemistry

      巻: 150 ページ: 71-79

    • DOI

      10.1016/j.plaphy.2020.02.029

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Diploid genome differentiation conferred by RNA sequencing-based survey of genome-wide polymorphisms throughout homoeologous loci in Triticum and Aegilops2020

    • 著者名/発表者名
      Tanaka Sayaka、Yoshida Kentaro、Sato Kazuhiro、Takumi Shigeo
    • 雑誌名

      BMC Genomics

      巻: 21 号: 1 ページ: 246-246

    • DOI

      10.1186/s12864-020-6664-3

    • NAID

      120006826792

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Origin of wheat B-genome chromosomes inferred from RNA sequencing analysis of leaf transcripts from section Sitopsis species of Aegilops2019

    • 著者名/発表者名
      Miki Yuka、Yoshida Kentaro、Mizuno Nobuyuki、Nasuda Shuhei、Sato Kazuhiro、Takumi Shigeo
    • 雑誌名

      DNA Research

      巻: 26 号: 2 ページ: 171-182

    • DOI

      10.1093/dnares/dsy047

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Genome-wide polymorphisms from RNA sequencing assembly of leaf transcripts facilitate phylogenetic analysis and molecular marker development in wild einkorn wheat2019

    • 著者名/発表者名
      Asami Michikawa、Kentaro Yoshida、Moeko Okada、Kazuhiro Sato、Shigeo Takumi
    • 雑誌名

      Molecular Genetics and Genomics

      巻: 294 号: 5 ページ: 1327-1341

    • DOI

      10.1007/s00438-019-01581-9

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 二粒系コムギにAegilops variabilisの花粉を交雑してできる無胚および有胚種子のRNA-seqによる比較2020

    • 著者名/発表者名
      高松鮎美、吉田健太郎、池田達哉、宅見薫雄
    • 学会等名
      日本育種学会第137回講演会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] コムギ近縁野生種における集団構造と出穂期制御の関係、及びその育種利用2020

    • 著者名/発表者名
      宅見薫雄
    • 学会等名
      日本生態学会第67回大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] RNA-seq-based bulked segregant analysis of the causal U-genome gene for grass-clump dwarfism in interspecific hybrids between tetraploid wheat and wild wheat relative Aegilops umbellulata2019

    • 著者名/発表者名
      Moeko Okada、Kentaro Yoshida、Kazuhiro Sato、Shigeo Takumi
    • 学会等名
      1st International Wheat Congress
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Genome-wide marker development based on RNA sequencing of leaf transcripts in wild einkorn wheat2019

    • 著者名/発表者名
      Asami Michikawa、Kentaro Yoshida、Moeko Okada、Kazuhiro Sato、Shigeo Takumi
    • 学会等名
      1st International Wheat Congress
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] RNA-seq-based polymorphisms in the section Sitopsis species reveal the origin of wheat B-genome chromosomes2019

    • 著者名/発表者名
      Yuka Miki、Kentaro Yoshida、Kazuhiro Sato、Shigeo Takumi
    • 学会等名
      1st International Wheat Congress
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Phenotypic variation and RNA-seq-based genome-wide polymorphisms in wild diploid wheat relative Aegilops umbellulata2019

    • 著者名/発表者名
      Nozomi Kasazumi、Moeko Okada、Kentaro Yoshida、Shigeo Takumi
    • 学会等名
      1st International Wheat Congress
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Production and phenotypic analysis of synthetic allohexaploid lines having durum wheat and wild diploid relative genomes2019

    • 著者名/発表者名
      Shigeo Takumi、Asami Michikawa、Yuka Miki、Sayaka Tanaka、Moeko Okada、Kiyotaka Nagaki、Kazuhiro Sato、Tatsuya M. Ikeda、Kentaro Yoshida、Yoshihiro Matsuoka
    • 学会等名
      1st International Wheat Congress
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 二粒系コムギにAegilops cylindricaの花粉を交雑してできる無胚種子のRNA-seq解析2019

    • 著者名/発表者名
      高松鮎美、吉田健太郎、佐藤和広、池田達哉、宅見薫雄
    • 学会等名
      日本育種学会第136回講演会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] コムギ近縁種間の交雑種子発生異常のRNA-seq解析2019

    • 著者名/発表者名
      高松鮎美、吉田健太郎、佐藤和広、池田達哉、宅見薫雄
    • 学会等名
      第14回ムギ類研究会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [備考] 植物新種誕生の原理

    • URL

      http://www.ige.tohoku.ac.jp/prg/plant/

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [備考] Laboratory of Plant Genetics, Kobe University

    • URL

      https://ja.plantgeneticskobeu.org

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [備考] 神戸大学インターゲノミクス研究会

    • URL

      http://www.research.kobe-u.ac.jp/ans-intergenomics/index.html

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書

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公開日: 2019-04-18   更新日: 2021-01-27  

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