植物オミックス・知識情報の統合解析による新種誕生の機構解明とデータベース構築

• 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: 19H04870
• 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: 明治大学
• 研究代表者: 矢野 健太郎 明治大学, 農学部, 専任教授 (00446543)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 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: バイオインフォマティクス / AI / 自然言語処理 / データベース / 知識ベース / 植物 / ゲノム / 遺伝子 / オミックス / ビッグデータ / トランスクリプトーム / デジタル情報解析技術 / 知識・オミックス情報

研究開始時の研究の概要

本研究は、大規模なオミックス情報と生物学的知識情報を統合解析するシステムズ・バイオロジーのアプローチから、種の維持や新たな異種ゲノム合一の機構に関わる遺伝子群を網羅的に探索し、植物新種誕生の原理を解明することを大きな目的とする。そこで、植物生殖に関わる遺伝子群をカタログ化するために、公開データベース上のオミックス・ビッグデータに対する大規模情報解析を展開し、得られた情報をデータベースに統合する。

研究実績の概要

ゲノム配列やmRNA配列などの大規模オミックス情報が公開データベースに蓄積する一方で、これらのビッグデータの活用は進展していない。この要因として以下が挙げられる。(1)データベースに格納されているRNA-Seqなどの登録データは実験条件の記述様式と用語にレコード間で統一性がないため、mRNAサンプル間の由来（系統、器官、ステージ、処理など）の同一性・差異を容易に把握できない。その結果、大規模RNA-Seqデータを入手しても、実験条件間での比較解析が困難である。(2)遺伝子発現プロファイルの類似性に基づく従来の遺伝子分類法は主にピアソン相関係数に基づくため、算出に膨大なコスト（計算機資源）を要し、スパコンでも大規模情報を解析できない。(3)バイオインフォマティクスによる遺伝子探索では数百個以上の候補遺伝子が得られる場面が多く、機能アノテーション情報を併用した遺伝子選抜が必要となる。しかし、アノテーション情報の大半が機械的な予測結果に基づくため、信頼度が低い。
本課題では、シロイヌナズナ、イネ、トマトなどの主要植物種の遺伝子発現ネットワーク（GEN）を構築し、種間比較も可能な知識情報統合解析システムを開発することで、種や器官・ステージに特異的な発現遺伝子やその発現制御機構の解明を容易とした。そのために、取得した大規模RNA-Seqデータの実験条件をオントロジーに基づくマニュアル・キュレーションによって記述しなおし、網羅的な遺伝子発現解析を達成した。開発したAIテキスト・マイニング基盤を活用し、学術論文情報から遺伝子機能に関する知識情報を高精度抽出し、知識情報統合解析システムに格納した。さらに、種横断的な遺伝子ファミリーを定義し、知識情報統合解析システムにおけるGENや発現制御機構などの種間比較解析を効率化した。これらは、植物知識情報統合サイトPODCから公開・提供している。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] トロント大学(カナダ)
• [雑誌論文] Effect of Paternal Genome Excess on the Developmental and Gene Expression Profiles of Polyspermic Zygotes in Rice (2021)
  • 著者名/発表者名: Deushi Ryouya、Toda Erika、Koshimizu Shizuka、Yano Kentaro、Okamoto Takashi
  • 雑誌名: Plants 巻: 10 ページ: 255-255
  • DOI: 10.3390/plants10020255
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Rapidly evolving phosphoenolpyruvate carboxylase Gmppc1 and Gmppc7 are highly expressed in the external seed coat of immature soybean seeds (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Naoki、Takano Tomoyuki、Masumura Takehiro、Sasou Ai、Morita Shigeto、Sugimoto Toshio、Yano Kentaro
  • 雑誌名: Gene 巻: 762 ページ: 145015-145015
  • DOI: 10.1016/j.gene.2020.145015
  • 査読あり
• [雑誌論文] Genome editing in plants using CRISPR type I-D nuclease (2020)
  • 著者名/発表者名: Osakabe Keishi、Wada Naoki、Miyaji Tomoko、Murakami Emi、Marui Kazuya、Ueta Risa、Hashimoto Ryosuke、Abe-Hara Chihiro、Kong Bihe、Yano Kentaro、Osakabe Yuriko
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 3 ページ: 648-648
  • DOI: 10.1038/s42003-020-01366-6
  • NAID: 120007089853
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Double-locking mechanism of self-compatibility in Arabidopsis thaliana: the synergistic effect of transcriptional depression and disruption of coding region in the male specificity gene. (2020)
  • 著者名/発表者名: Suwabe, K., Nagasaka, K., Windari, E. A., Hoshiai, C., Ota, T., Takada, M., Kitazumi, A., Masuko-Suzuki, H., Kagaya, Y., Yano, K., Tsuchimatsu, T., Shimizu, K. K., Takayama, S., Suzuki, G., and Watanabe, M.
  • 雑誌名: Front. Plant Sci. 巻: 11 ページ: 576140-576140
  • DOI: 10.3389/fpls.2020.576140
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] RAD-seq-Based High-Density Linkage Map Construction and QTL Mapping of Biomass-Related Traits in Sorghum using the Japanese Landrace Takakibi NOG. (2020)
  • 著者名/発表者名: Kajiya-Kanegae H, Takanashi H, Fujimoto M, Ishimori M, Ohnishi N, Wacera W F, Omollo EA, Kobayashi M, Yano K, Nakano M, Kozuka T, Kusaba M, Iwata H, Tsutsumi N, Sakamoto W
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 61 ページ: 1262-1272
  • DOI: 10.1093/pcp/pcaa056
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Drought Stress Responses in Context-Specific Genome-Scale Metabolic Models of Arabidopsis thaliana (2020)
  • 著者名/発表者名: Siriwach Ratklao、Matsuda Fumio、Yano Kentaro、Hirai Masami Yokota
  • 雑誌名: Metabolites 巻: 10 ページ: 159-159
  • DOI: 10.3390/metabo10040159
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Transcriptome analysis of watercore in Pyrus pyrifolia by comparing pairs of susceptible and resistant F1 sibs (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishitani Chikako、Inoue Eiichi、Saito Toshihiro、Ogata Natsumi、Kita Koichi、Gonai Takeru、Kasumi Masakazu、Ishii Ryoji、Sawamura Yutaka、Takada Norio、Nakamura Yukino、Kobayashi Masaaki、Yano Kentaro、Terakami Shingo、Yamamoto Toshiya
  • 雑誌名: Scientia Horticulturae 巻: 264 ページ: 109136-109136
  • DOI: 10.1016/j.scienta.2019.109136
  • 査読あり
• [雑誌論文] Evolution and diversity of the wild rice Oryza officinalis complex, across continents genome types, and ploidy levels (2020)
  • 著者名/発表者名: Matt Shenton, Masaaki Kobayashi, Shin Terashima, Hajime Ohyanagi, Dario Copetti, Tania Hernandez-Hernandez, Jianwei Zhang, Nobuko Ohmido, Masahiro Fujita, Atsushi Toyoda, Hiroshi Ikawa, Asao Fujiyama, Hiroyasu Furuumi, Toshie Miyabayashi, Takahiko Kubo, David Kudrna, Rod Wing, Kentaro Yano, Ken-ichi Nonomura et al.
  • 雑誌名: Genome Biology and Evolution 巻: 12 ページ: 413-428
  • DOI: 10.1093/gbe/evaa037
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] TRANSNAP: a web database providing comprehensive information on Japanese pear transcriptome (2019)
  • 著者名/発表者名: Koshimizu Shizuka, Nakamura Yukino, Nishitani Chikako, Kobayashi Masaaki, Ohyanagi Hajime, Yamamoto Toshiya, Yano Kentaro
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 ページ: 18922-18922
  • DOI: 10.1038/s41598-019-55287-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The plant-type phosphoenolpyruvate carboxylase Gmppc2 is developmentally induced in immature soy seeds at the late maturation stage: a potential protein biomarker for seed chemical composition (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Naoki, Sugimoto Toshio, Takano Tomoyuki, Sasou Ai, Morita Shigeto, Yano Kentaro, Masumura Takehiro
  • 雑誌名: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry 巻: 84 ページ: 552-562
  • DOI: 10.1080/09168451.2019.1696179
  • 査読あり
• [雑誌論文] plete chloroplast genome sequence and phylogenetic analysis of wasabi (Eutrema japonicum) and its relatives (2019)
  • 著者名/発表者名: Haga, N., Kobayashi, M., Michiki, N., Takao,T., Baba, F., Kobayashi, K., Ohyanagi, H., Ohgane, J.,Yano, K., Yamane,K.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1038/s41598-019-49667-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Pattern analysis suggests that phosphoenolpyruvate carboxylase in maturing soybean seeds promotes the accumulation of protein (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Naoki, Masumura Takehiro, Yano Kentaro, Sugimoto Toshio
  • 雑誌名: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry 巻: 83 ページ: 2238-2243
  • DOI: 10.1080/09168451.2019.1648205
  • 査読あり
• [雑誌論文] Genome sequence analysis of the fairy ring-forming fungus Lepista sordida and gene candidates for interaction with plants (2019)
  • 著者名/発表者名: Takano Tomoyuki、Yamamoto Naoki、Suzuki Tomohiro、Dohra Hideo、Choi Jae-Hoon、Terashima Yurika、Yokoyama Koji、Kawagishi Hirokazu、Yano Kentaro
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 9 ページ: 5888-5888
  • DOI: 10.1038/s41598-019-42231-9
  • NAID: 120006825988
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Plant Omics Databases: Plant Omics Data Center (PODC), CATchUP and TOMATOMICS (2020)
  • 著者名/発表者名: Toshiharu Endo, Misa Saito, Maasa Kanno, Shizuka Koshimizu, Kong Bihe, Shun Ohki, Eiji Nambara, Hajime Ohyanagi, Koh Aoki, Hiroshi Ezura, Kentaro Yano
  • 学会等名: International Plant & Animal Genome XXVIII
  • 国際学会
• [学会発表] 第16回データベース講習会：植物オミックス・データベースと知識情報 (2020)
  • 著者名/発表者名: 遠藤俊晴,菅野真麻,孔嬖禾,大木駿,越水静,大柳一,矢野健太郎
  • 学会等名: 第61回日本植物生理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] トマト品種 'Micro-Tom' を基盤としたバイオリソース整備とその利用成果 (2020)
  • 著者名/発表者名: 篠崎良仁,伊藤直子,有泉亨,福田直也,金山喜則,久保康隆,青木考,矢野健太郎,江面浩
  • 学会等名: 第137回日本育種学会
• [学会発表] トマト品種 'Micro-Tom' を基盤としたバイオリソース整備とその利用成果 (2020)
  • 著者名/発表者名: 篠崎良仁, 伊藤直子, 有泉亨, 福田直也, 金山喜則, 久保康隆, 青木考, 矢野健太郎, 江面浩
  • 学会等名: 日本育種学会・第137回講演会
• [学会発表] ナショナルバイオリソースプロジェクト「トマト」: 遺伝 資源の整備とその利用成果 (2020)
  • 著者名/発表者名: 篠崎良仁, 伊藤直子, 有泉亨, 福田直也, 金山喜則, 久保康隆, 青木考, 矢野健太郎, 江面浩
  • 学会等名: 園芸学会・令和２年度春季大会
• [学会発表] In silico Flux Analysis using Context-specific, Genome-scale Metabolic Network Models of Arabidopsis Leaves Responding to Drought Stress (2020)
  • 著者名/発表者名: Ratklao Siriwach, Fumio Matsuda, Kentaro Yano, Masami Yokota Hirai
  • 学会等名: 第61回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Tomato genetic resources in the National Bioresource Project (NBRP) of Japan (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshihito Shinozaki, Tohru Ariizumi, Naoya Fukuda, Yoshinori Kanayama, Yasutaka Kubo, Koh Aoki, Kentaro Yano, Hiroshi Ezura
  • 学会等名: The 11th Asian Network of Research Resource Centers Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] NBRP-TOMATO: AN INTEGRATED BIORESOURCE OF TOMATO (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshihito Shinozaki, Ken Hoshikawa, Tohru Ariizumi, Naoya Fukuda, Yoshinori Kanayama, Yasutaka Kubo, Koh Aoki, Kentaro Yano, Hiroshi Ezura
  • 学会等名: The XVI Solanaceae Conference(SOL 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] PLANT OMICS DATABASES: PLANT OMICS DATA CENTER (PODC), CATchUP AND TOMATOMICS (2019)
  • 著者名/発表者名: Shizuka Koshimizu, Shun Ohki, Kong Bihe, Misa Saito, Maasa Kanno, Eiji Nambara, Hajime Ohyanagi, Koh Aoki, Kentaro Yano
  • 学会等名: The XVI Solanaceae Conference (SOL 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Plant Omics Databases: Plant Omics Data Center (PODC), CATchUP and TOMATOMICS (2019)
  • 著者名/発表者名: Shizuka Koshimizu, Shun Ohki, Maasa Kanno, Misa Saito, Misao Senbokuya, Hajime Ohyanagi, Eiji Nambara, Koh Aoki, Kentaro Yano
  • 学会等名: Plant & Animal Genome ASIA 2019
  • 国際学会
• [学会発表] データ駆動型植物科学最前線,知識情報とオミックス情報の統合解析による遺伝子探索 (2019)
  • 著者名/発表者名: 矢野健太郎
  • 学会等名: 第37回日本植物細胞分子生物学会（京都）大会 シンポジウム 4
  • 招待講演
• [学会発表] 京野菜であるミズナとミブナの葉の形の解析および育種の歴史の解明 (2019)
  • 著者名/発表者名: 川勝弥一, 坂本智昭, 中山北斗, 上ノ山華織, 矢野健太郎, 久保中央, 木村成介
  • 学会等名: 日本植物学会第83回大会
• [学会発表] Context-specific genome-scale metabolic models of Arabidopsis thalian responses to drought stress (2019)
  • 著者名/発表者名: Ratklao Siriwach, Fumio Matsuda, Kentaro Yano, Masami Yokota Hirai
  • 学会等名: 第37回日本植物細胞分子生物学会（京都）大会
• [学会発表] NBRPトマト: 変異体を中心としたリソースの整備・分譲および最新の利用研究成果 (2019)
  • 著者名/発表者名: 篠崎良仁, 星川健, 伊藤直子, 有泉亨, 福田直也, 金山喜則, 久保康隆, 青木考, 矢野健太郎, 江面浩
  • 学会等名: 第37回日本植物細胞分子生物学会（京都）大会
• [学会発表] WebシステムPODC： 知識情報・オミックス情報に基づく植物種間比較解析プラットフォーム (2019)
  • 著者名/発表者名: 越水静, 齋藤美沙, 菅野真麻, 矢野健太郎
  • 学会等名: 第37回日本植物細胞分子生物学会（京都）大会
• [学会発表] WebシステムPODC：知識情報・オミックス情報に基づく植物種間比較解析プラットフォーム (2019)
  • 著者名/発表者名: 矢野健太郎, 越水静, 大木駿, 孔嬖禾, 齋藤美沙, 菅野真麻
  • 学会等名: 日本育種学会・第136回講演会
• [学会発表] Plant Omics Data Center (PODC): A Highly Curated and Integrated Information Resource for Omics Data with Knowledge-based Functional Annotations Combined across 11 Model Plants and Crops (2019)
  • 著者名/発表者名: Bihe Kong, Shizuka Koshimizu, Maasa Kanno, Misa Saito, Eiji Nambara, Kentaro Yano
  • 学会等名: 第2回植物インフォマティクス研究会
• [学会発表] Tailoring pipeline for the context-specific genome-scale metabolic models for drought stress study (2019)
  • 著者名/発表者名: Ratklao Siriwach, Fumio Matsuda, Kentaro Yano, Masami Yokota Hirai
  • 学会等名: 第2回植物インフォマティクス研究会
• [学会発表] ニホンナシの網羅的なトランスクリプトーム解析とWebデータベースの構築 (2019)
  • 著者名/発表者名: 越水静, 中村幸乃, 小林正明, 西谷千佳子, 山本俊哉, 矢野健太郎
  • 学会等名: 第2回植物インフォマティクス研究会
• [図書] The Model Legume Medicago truncatula (Editor; Frans J. de Bruijn) (2019)
  • 著者名/発表者名: Matt Shenton, Toru Kudo, Masaaki Kobayashi, Yukino Nakamura, Hajime Ohyanagi, and Kentaro Yano
  • 総ページ数: 1264
  • 出版者: Wiley-Blackwell
  • ISBN: 9781119409168
• [図書] 菜の花と人間の文化史（武田和哉・渡辺正夫 編） (2019)
  • 著者名/発表者名: 矢野健太郎
  • 総ページ数: 240
  • 出版者: 勉誠出版
  • ISBN: 9784585227014
• [備考] Plant Omics Data Center (PODC)
  • URL: http://plantomics.mind.meiji.ac.jp/podc/
• [備考] 研究業績リスト
  • URL: http://bioinf.mind.meiji.ac.jp/lab/index.php?catid=17&blogid=1
• [備考] 研究内容紹介動画
  • URL: https://www.meiji.ac.jp/cip/english/incredible-senseis/jp/