パンコムギの品種間シス制御の違いを利用した新規対立遺伝子の単離

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H02316
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 横浜市立大学
• 研究代表者: 清水 健太郎 横浜市立大学, 木原生物学研究所, 客員教授 (10742629)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: ゲノム / 倍数体 / RNA-seq

研究実績の概要

パンコムギはイネやトウモロコシと並んで世界の重要な穀物です。しかし、パンコムギは3つの種のゲノムDNAが融合してゲノム重複を経た複雑な異質倍数体であるために、ゲノムを用いた研究と育種が遅れていました。2020年に、研究代表者の参加したコムギ10+ゲノムプロジェクトにより、日本を代表するパンコムギ品種農林61号などの高精度ゲノムが得られ、未開拓の東アジアのパンコムギ遺伝資源を活用する素地が整いました。我々はまず、既存の二倍体種用に開発された手法を異質倍数体のRNA-seqによる遺伝子発現解析に適用すると、ゲノム重複による3つの重複遺伝子を正確に区別しにくいためマッピングのエラー率が10%にも上る一方、我々の開発してきたEAGLE-RCやHomeoRoqなどのサブゲノム分類法のソフトウェアを用いれば、エラー率が低く抑えられることを示しました。また遺伝子配列のうち重複遺伝子を区別しやすい3’末端配列を利用することで、安価で多数のサンプルの遺伝子発現を高精度で解析できる手法も確立しました。その他、機械学習を用いて野外変動環境で継続的に植物形態や色情報を観測するためのハードウェア・ソフトウェアPlantServationを開発しました。モデル倍数体種のデータを解析したところ、異質倍数体化によって両親種の環境応答を受け継いで組み合わせることによって、変動環境に適応したことが支持されました。さらに、倍数体の有用植物についての総説を執筆し、倍数体化が栽培化の前後共に重要な役割を果たしたことを詳説しました。そして、コムギなどを用いて開発された倍数体ゲノム解析手法が多くの有用植物に適用できることを論じました。
他に本研究代表者の整備してきたゲノム情報および解析技術等を提供することで、多数の共同研究に役立てており、関連する学会発表数からも日本のコムギ研究に広く寄与していることが示されています。

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

本研究のコア技術として、これまで解析の難しかった異質倍数体種のRNA-seq手法について、安価で多数サンプルを扱える技術を開発し、論文として出版した。さらに、野外変動環境で継続的に植物形態と色情報を収集するハードウェア・ソフトウェアPlantServationの論文を出版し、コムギデータの解析を進めている。研究員の募集に時間がかかったが、研究内容が順調に進展している。そして、Nested Association Mapping Lineを用いて、様々な形質について有意な量的遺伝子座(QTLs)を同定できた。

今後の研究の推進方策

既に開発して出版した安価なRNA-seq手法と機械学習による画像解析手法PlantServationを、すでに取得済のコムギの大規模データに適用して、野外変動環境でのシス制御による遺伝子発現解析の解析を進める。また、Nested Association Mapping Lineを用いたQTL解析をさらに推進していく。

研究成果

• [国際共同研究] チューリッヒ大学/ジュネーブ大学/チューリッヒ工科大学(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: チューリッヒ大学/ジュネーブ大学/チューリッヒ工科大学
• [国際共同研究] テキサス大学オースティン校(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: テキサス大学オースティン校
• [雑誌論文] Seasonal pigment fluctuation in diploid and polyploid Arabidopsis revealed by machine learning-based phenotyping method PlantServation (2023)
  • 著者名/発表者名: Akiyama Reiko、Goto Takao、Tameshige Toshiaki、Sugisaka Jiro、Kuroki Ken、Sun Jianqiang、Akita Junichi、Hatakeyama Masaomi、Kudoh Hiroshi、Kenta Tanaka、Tonouchi Aya、Shimahara Yuki、Sese Jun、Kutsuna Natsumaro、Shimizu-Inatsugi Rie、Shimizu Kentaro K.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 5792
  • DOI: 10.1038/s41467-023-41260-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A low-coverage 3′ RNA-seq to detect homeolog expression in polyploid wheat (2023)
  • 著者名/発表者名: Sun Jianqiang、Okada Moeko、Tameshige Toshiaki、Shimizu-Inatsugi Rie、Akiyama Reiko、Nagano Atsushi J、Sese Jun、Shimizu Kentaro K
  • 雑誌名: NAR Genomics and Bioinformatics 巻: 5 ページ: lqad067
  • DOI: 10.1093/nargab/lqad067
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Dominance in self-compatibility between subgenomes of allopolyploid Arabidopsis kamchatica shown by transgenic restoration of self-incompatibility (2023)
  • 著者名/発表者名: Yew Chow-Lih、Tsuchimatsu Takashi、Shimizu-Inatsugi Rie、Yasuda Shinsuke、Hatakeyama Masaomi、Kakui Hiroyuki、Ohta Takuma、Suwabe Keita、Watanabe Masao、Takayama Seiji、Shimizu Kentaro K.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 7618
  • DOI: 10.1038/s41467-023-43275-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] UV RESISTANCE LOCUS 8-Mediated UV-B Response Is Required Alongside CRYPTOCHROME 1 for Plant Survival in Sunlight under Field Conditions (2023)
  • 著者名/発表者名: Stockenhuber Reinhold、Akiyama Reiko、Tissot Nicolas、Milosavljevic Stefan、Yamazaki Misako、Wyler Michele、Arongaus Adriana B、Podolec Roman、Sato Yasuhiro、Widmer Alex、Ulm Roman、Shimizu Kentaro K
  • 雑誌名: Plant And Cell Physiology 巻: 65 ページ: 35～48
  • DOI: 10.1093/pcp/pcad113
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Targeted single-cell gene induction by optimizing the dually regulated CRE/loxP system by a newly defined heat-shock promoter and the steroid hormone in Arabidopsis thaliana (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomoi Takumi、Tameshige Toshiaki、Betsuyaku Eriko、Hamada Saki、Sakamoto Joe、Uchida Naoyuki、Torii Keiko U.、Shimizu Kentaro K.、Tamada Yosuke、Urawa Hiroko、Okada Kiyotaka、Fukuda Hiroo、Tatematsu Kiyoshi、Kamei Yasuhiro、Betsuyaku Shigeyuki
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 14 ページ: 1171531
  • DOI: 10.3389/fpls.2023.1171531
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Polyploidy before and after domestication of crop species (2022)
  • 著者名/発表者名: Akagi Takashi、Jung Katharina、Masuda Kanae、Shimizu Kentaro K.
  • 雑誌名: Current Opinion in Plant Biology 巻: 69 ページ: 102255～102255
  • DOI: 10.1016/j.pbi.2022.102255
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Robustness and the generalist niche of polyploid species: Genome shock or gradual evolution? (2022)
  • 著者名/発表者名: Shimizu Kentaro K.
  • 雑誌名: Current Opinion in Plant Biology 巻: 69 ページ: 102292～102292
  • DOI: 10.1016/j.pbi.2022.102292
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Effects of Allopolyploidization on Homoeologous Gene Expression under Cold Treatment in Synthetic Hexaploid Wheat (2024)
  • 著者名/発表者名: Moeko Okada, Jianquiang Sun, Toshiaki Tameshige, Masaomi Hatakeyama, Rie Shimizu-Inatsugi, Shigeo Takumi, Jun Sese, Kentaro K. Shimizu
  • 学会等名: KAAB international symposium, Niigata, 2024-03-26
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Robustness of allopolyploid species in natura: genome shock or gradual evolution? (2023)
  • 著者名/発表者名: Kentaro K. Shimizu
  • 学会等名: Polyploidy 2023, Palm Coast, Florida, USA, 2023-05-10
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Robustness of polyploid species: evolutionary genomic studies using Arabidopsis kamchatica and wheat (2023)
  • 著者名/発表者名: Kentaro K. Shimizu
  • 学会等名: Symposium Genome duplication at the intersection of biodiversity and crop sciences, Fribourg, Switzerland, 10.07.2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Effects of allopolyploidization on homoeologous gene expression in synthetic hexaploids (2023)
  • 著者名/発表者名: Moeko Okada
  • 学会等名: Polyploid evolutionary genomics: challenges and opportunities, University of Fribourg, Switzerland, 2023-07-10
  • 国際学会
• [学会発表] Effects of allopolyploidization on homoeologous gene expression changes and environmental response in hexaploid wheat. (2023)
  • 著者名/発表者名: Moeko Okada, J. Sun, T. Tameshige, M. Hatakeyama, R. Shimizu-Inatsugi, S. Takumi, J. Sese, K. K. Shimizu
  • 学会等名: Plant and Animal Genome Conference 30, San Diego, USA, 2023-01-16
  • 国際学会
• [学会発表] Robustness of polyploid species in natura studied by genomics and machine learning (2023)
  • 著者名/発表者名: Kentaro K. Shimizu
  • 学会等名: Joint Kickoff Symposium for Key-Molecule-Network in Plant Reproduction (KEPLR) and CRISPit, Tokyo, Japan, 2023-06-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Environmental robustness of Arabidopsis allopolyploid species (2023)
  • 著者名/発表者名: Kentaro K. Shimizu
  • 学会等名: 第46回日本分子生物学会、神戸・zoom 2023-11-20
  • 招待講演
• [学会発表] Effects of allopolyploidization on homoeologous gene expression changes and environmental response in hexaploid wheat (2023)
  • 著者名/発表者名: Moeko Okada, Jianqiang Sun, Toshiaki Tameshige, Masaomi Hatakeyama, Rie Shimizu-Inatsugi, Shigeo Takumi, Jun Sese, Kentaro K. Shimizu
  • 学会等名: 30th Plant and Animal Genome Conference, San Diego, USA. 2023/1/13-18
  • 国際学会
• [学会発表] Unravelling the Genetic Architecture of Male Reproductive Traits in Asian Bread Wheat (Triticum aestivum L.) (2023)
  • 著者名/発表者名: Naoto-Benjamin Hamaya, Hiroyuki Kakui, Jilu Nie, Moeko Okada, Thomas Wicker, Beat Keller, Shuhei Nasuda, Kentaro K. Shimizu
  • 学会等名: 30th Plant and Animal Genome Conference, San Diego, USA. 2023/1/13-18
  • 国際学会
• [学会発表] Time-series field phenotyping system PlantServation using machine learning revealed seasonal pigment fluctuation trends in diploid and polyploid Arabidopsis (2023)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Tameshige, Reiko Akiyama, Takao Goto, Jiro Sugisaka, Ken Kuroki, Jianqiang Sun, Junichi Akita, Masaomi Hatakeyama, Hiroshi Kudoh, Tanaka Kenta, Aya Tonouchi, Yuki Shimahara, Jun Sese, Natsumaro Kutsuna, Rie Shimizu-Inatsugi, Kentaro K Shimizu
  • 学会等名: The 33rd International Conference on Arabidopsis Research (ICAR2023), Chiba, Japan, 2023-06-07
  • 国際学会
• [学会発表] パンコムギの気孔密度多様性とパターン形成理論 (2023)
  • 著者名/発表者名: 爲重才覚・杉阪次郎 ・竹中祥太朗 ・黒木健・新田みゆき・那須田周平・清水健太郎
  • 学会等名: 第18回ムギ類研究会，滋賀 2023-12-23
• [学会発表] 大規模トランスクリプトームから見た野外環境下におけるパンコムギの季節性遺伝子発現 (2023)
  • 著者名/発表者名: Toshiaki Tameshige, Jianqiang Sun, Reiko Akiyama, Jiro Sugisaka, Yoko Kamiya, Atsushi Nagano, Rie Shimizu-Inatsugi, Jun Sese, Kentaro Shimizu
  • 学会等名: 日本植物学会第87回大会，札幌 2023-09-08
• [学会発表] コムギの栽培化に伴って花粉数は変わるのか？ (2023)
  • 著者名/発表者名: 角井宏行, Naoto-Benjamin Hamaya, 岡田萌子, Katharina Jung, 聶紀魯, Thomas Wicker, Beat Keller, 清水健太郎, 那須田周平
  • 学会等名: 第18回ムギ類研究会，滋賀 2023-12-23
• [学会発表] 河村凌, 岡田萌子, 小村翔也, 清水健太郎, 西村和紗, 井上喜博, 吉田健太郎 (2023)
  • 著者名/発表者名: コムギ近縁野生種Aegilops umbellulata Zhuk.におけるうどんこ病菌侵入後抵抗性の原因遺伝子座の同定
  • 学会等名: 日本育種学会第144回講演会, 神戸大学, 2023-09-16
• [学会発表] Pairing homoeologous 2欠失変異体を利用したパンコムギへの異種染色体断片導入 (2023)
  • 著者名/発表者名: 田渕雅啓, 岡田萌子, 道川麻美, 井上喜博, 西村和紗, 水野信之, 清水健太郎, 小林史典, 宅見薫雄, 吉田健太郎
  • 学会等名: 日本育種学会第144回講演会, 神戸大学, 2023-09-17
• [学会発表] 異質倍数体化が相同遺伝子発現パターンに及ぼす影響 (2023)
  • 著者名/発表者名: 岡田萌子, 孫建強、爲重才覚、畠山剛臣、清水(稲継)理恵、宅見薫雄、瀬々潤、清水健太郎
  • 学会等名: 第18回ムギ類研究会，滋賀 2023-12-23
• [学会発表] コムギ NAM 集団の茎立ち期における UAV によるハイスループットフェノタイピングおよび UAV から得られた形質と収量関連形質との関連 (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉岡 俊輔, 黒木 健, 新田 みゆき, 聶 紀魯, 石井昌範, 角井宏行, 岡田萌子, 竹中祥太郎, 清水健太郎, 岩田洋佳, 郭威, 那須田周平
  • 学会等名: 日本育種学会第144回講演会, 神戸大学, 2023-09-16
• [学会発表] Polyploid Arabidopsis inherit parental traits in natura as shown by deep-learning and soil analyses (2022)
  • 著者名/発表者名: Kentaro K. Shimizu
  • 学会等名: Congress of the European Society for Evolutionary Biology, Prague, Czech, 2022-08-19
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Machine learning of image and transcriptome data of Arabidopsis and wheat polyploid plants in natura (2022)
  • 著者名/発表者名: Kentaro K. Shimizu
  • 学会等名: SwissPLANT 2022, Meiringen, Switzerland, 2022-06-15
• [学会発表] パンコムギのnested association mapping (NAM)集団のGRAS-Diマーカーによるコンセンサスマップの構築 (2022)
  • 著者名/発表者名: 聶紀魯・新田みゆき・竹中祥太朗・岡田萌子・清水健太郎・那須田周平
  • 学会等名: 第17回ムギ類研究会、つくば、2022-12-16
• [学会発表] Aegilops umbellulata Zhuk. で観察されたうどんこ病菌に対する侵入後抵抗性の遺伝解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 河村凌, 岡田萌子, 小村翔也, 清水健太郎, 西村和紗, 井上喜博, 吉田健太郎
  • 学会等名: 第17回ムギ類研究会，茨城 2022-12-16
• [学会発表] RNA-seq-based bulked segregant analysis of the causal U-genome gene for hybrid incompatibility between tetraploid wheat and wild wheat relative Aegilops umbellulata (2022)
  • 著者名/発表者名: Moeko Okada, Kentaro Yoshida, Kentaro K. Shimizu, Shigeo Takumi
  • 学会等名: The 26th International Conference on Sexual Plant Reproduction, Prague, Czech Republic, 2022-06-21
  • 国際学会
• [備考] プレスリリース 画像解析AIを利用して植物の環境応答解析システムを開発
  • URL: https://www.yokohama-cu.ac.jp/news/2023/202309shimizu_u.html