ディファレンシャルネットワークによる作物有用形質に関与する遺伝子機能予測法の開発

2014 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 26850024
• 研究機関: 独立行政法人理化学研究所
• 研究代表者: 福島 敦史 独立行政法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, 研究員 (80415281)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: バイオインフォマティクス / 遺伝子発現調節ネットワーク / 遺伝子共発現 / ディファレンシャル共発現 / ネットワーク推定 / トマト / 統合データベース

研究実績の概要

植物が有する代謝経路に関わる遺伝子発現調節ネットワークの理解は、作物収量の増大や有用物質生産能力の向上のために役立つ。本研究課題は「ディファレンシャル共発現法」 (2つの実験条件下における遺伝子共発現パターンの違いを統計的に検出する手法) を基礎にしてin silicoな遺伝子発現調節ネットワーク推定法の開発を行う。
実用作物トマトに焦点をあて、共発現ネットワークの接続形態に基づいた遺伝子の重要性づけと有用形質に資する遺伝子の機能予測を行うために、利用可能なマイクロアレイ/RNA-seqの生データ収集および分類を行った。本格的な解析に入る前にRNA-seqデータについては、前処理されたデータ (RPKM値) を用いて予備的に共発現解析を試みた。結果として、時間はかかるが、自身で発現値推定を行うのが今後の開発に向けて自由度が高いことが示唆された。
また、情報解析基盤整備の一環として、申請者が開発したRソフトウェアパッケージDiffCorr (Fukushima Gene, 2013) のスクリプトを改良・ドキュメントを充実させた。その最新バージョンをCRAN (The Comprehensive R Archive Network) よりダウンロード可能とした (http://cran.r-project.org/web/packages/DiffCorr/)。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

ネットワーク推定方法と正規化手法のありうる組み合わせを試し、統合することを今年度の目標とした。トマト・イネ等のマイクロアレイデータを中心として、共発現とディファレンシャル共発現法を計算した。さらなるネットワーク推定を行うための手法として(A) 相関係数ベース (B) 情報理論ベースの計算アルゴリズムも利用する計画であったが、遺伝子ネットワーク推定に適した前処理方法の検討に時間を大幅に割くこととなった。

今後の研究の推進方策

本年度は引き続いて、データの分類と前処理の組み合わせを調査する。並行してディファレンシャル共発現とネットワーク統計量に基づく調節ネットワーク推定法の開発を進める。植物の遺伝子発現調節ネットワークの理解を進め、作物収量の増大や有用物質生産能力の向上に役立つin silicoな遺伝子発現調節ネットワーク推定法へと発展させる。

研究成果

• [雑誌論文] Lack of cytosolic glutamine synthetase1;2 in vascular tissues of axillary buds causes severe reduction in their outgrowth and disorder of metabolic balance in rice seedlings (2015)
  • 著者名/発表者名: Miwa Ohashi, Keiki Ishiyama, Miyako Kusano, Atsushi Fukushima, Soichi Kojima, Atsushi Hanada, Keiichi Kanno, Toshihiko Hayakawa, Yoshiya Seto, Junko Kyozuka, Shinjiro Yamaguchi, Tomoyuki Yamaya
  • 雑誌名: The Plant Journal 巻: 81 ページ: 347-356
  • DOI: 10.1111/tpj.12731
  • 査読あり
• [雑誌論文] Assessing metabolomic and chemical diversity of a soybean lineage representing 35 years of breeding (2015)
  • 著者名/発表者名: Miyako Kusano, Ivan Baxter, Atsushi Fukushima, Akira Oikawa, Yozo Okazaki, Ryo Nakabayashi, Denise J. Bouvrette, Frederic Achard, Andrew R. Jakubowski, Joan M. Ballam, Jonathan R. Phillips, Angela H. Culler, Kazuki Saito, George G. Harrigan
  • 雑誌名: Metabolomics 巻: 11 ページ: 261-270
  • DOI: 10.1007/s11306-014-0702-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Using metabolomic approaches to explore chemical diversity in rice (2015)
  • 著者名/発表者名: Miyako Kusano, Zhigang Yang, Yozo Okazaki, Ryo Nakabayashi, Atsushi Fukushima, Kazuki Saito
  • 雑誌名: Molecular Plant 巻: 8 ページ: 58-67
  • DOI: 10.1016/j.molp.2014.11.010
  • 査読あり
• [雑誌論文] Metabolomic Characterization of Knockout Mutants in Arabidopsis: Development of a Metabolite Profiling Database for Knockout Mutants in Arabidopsis (2014)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Fukushima, Miyako Kusano, Ramon Francisco Mejia, Mami Iwasa, Makoto Kobayashi, Naomi Hayashi, Akiko Watanabe-Takahashi, Tomoko Narisawa, Takayuki Tohge, Manhoi Hur, Eve Syrkin Wurtele, Basil J. Nikolau, Kazuki Saito
  • 雑誌名: Plant Physiology 巻: 165 ページ: 948-961
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1104/pp.114.240986
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Integrated analysis of transcriptome and metabolome of Arabidopsis albino or pale green mutants with disrupted nuclear-encoded chloroplast proteins (2014)
  • 著者名/発表者名: Masakazu Satou, Harumi Enoki, Akira Oikawa, Daisaku Ohta, Kazunori Saito, Takushi Hachiya, Hitoshi Sakakibara, Miyako Kusano, Atsushi Fukushima, Kazuki Saito, Masatomo Kobayashi, Noriko Nagata, Fumiyoshi Myouga, Kazuo Shinozaki, Reiko Motohashi
  • 雑誌名: Plant Molecular Biology 巻: 85 ページ: 411-428
  • DOI: 10.1007/s11103-014-0194-9
  • 査読あり
• [雑誌論文] Integrated network analysis and effective tools in plant systems biology (2014)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Fukushima, Shigehiko Kanaya, Kozo Nishida
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 5 ページ: 598
  • DOI: http://dx.doi.org/10.3389/fpls.2014.00598
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A network perspective on nitrogen metabolism from model to crop plants using integrated “omics” approaches (2014)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Fukushima, Miyako Kusano
  • 雑誌名: Journal of Experimental Botany 巻: 65 ページ: 5619-5630
  • DOI: 10.1093/jxb/eru322
  • 査読あり
• [学会発表] トマト果実肥大に及ぼす代謝変動解明のためのシステム生物学的アプローチ (2014)
  • 著者名/発表者名: 福島敦史, 西澤 具子, 小林 誠, 彦坂 晶子, 後藤 英司, 斉藤 和季, 草野 都
  • 学会等名: 第32回日本植物細胞分子生物学会大会
  • 発表場所: アイーナ (いわて県民情報交流センター) (岩手県盛岡市)
  • 年月日: 2014-08-21 – 2014-08-22
• [学会発表] Let's Use R/Bioconductor and Log Your Analysis (2014)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Fukushima
  • 学会等名: the 10th International conference of the Metabolomics Society (Metabolomics 2014)
  • 発表場所: Marica/Washington Hotel (山形県鶴岡市)
  • 年月日: 2014-06-23
  • 招待講演