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

2019 年度 実績報告書

• 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
• キーワード: バイオインフォマティクス / ゲノム / トランスクリプトーム / デジタル情報解析技術 / 自然言語処理 / 知識・オミックス情報

研究実績の概要

現在、多くのゲノムDNA配列情報やRNA-Seqデータ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している一方で、これらのビッグデータを活用した遺伝子探索ができない。この要因として以下の3点がある。(1)公開データベースに登録されているRNA-Seqデータには、実験条件の記述フォーマットに統一性がなく、mRNAサンプルの由来（器官・ステージなど）を容易に把握できない。その結果、大規模RNA-Seqデータを取得・解析しても、サンプル（葯、開花期など）における特異的発現遺伝子群などを探索できない。(2)従来の遺伝子発現データ解析法はピアソン相関係数の算出に基づくため膨大な計算コスト（計算機メモリーや計算時間など）を要し、大型計算機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候補遺伝子数が数百個以上となることが多く、遺伝子機能アノテーション情報を併用した遺伝子選抜が望まれる。しかし、アノテーション情報の大半が不明瞭な記述（Unknown Proteinなど）であり、十分に活用できない。
そこで、シロイヌナズナ、イネ、トマトなどの主要植物種を対象とし、各植物種の遺伝子発現ネットワーク（GEN）を構築し、種横断的に比較可能なシステムを構築した。RNA-Seqデータの実験条件（mRNAの由来、器官など）の把握を容易とするために、登録情報（実験条件）に対するマニュアル・キュレーションからオントロジーを付与し、網羅的なサンプル分類と比較解析を行った。そして、この大規模解析を実施可能とするための解析アルゴリズムを開発した。また、学術論文テキスト情報を収集した後に、自然言語処理とマニュアル・キュレーションを実施し、遺伝子機能に関する高信頼度知識情報を集積し、システムに統合した。これらのオミックス・知識情報はWebデータベースPODCから公開するに至っている。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

オミックス解析については、年度内に予定していた解析を終了し、新たな網羅的オミックス情報解析に着手している。知識情報の蓄積についても解析ステップの効率化により予定よりも早く進展しており、解析終了分より順次データベースより公開している。
また、蓄積したオミックス情報、特に、オントロジーや種間オーソログ、遺伝子発現制御機構、遺伝子発現プロファイルに関する大規模情報、そして、遺伝子機能の知識情報に基づき、多面的な遺伝子探索と網羅的な種間比較解析を展開し、生殖関連遺伝子候補を探索した。その結果、ウエット実証実験に資する遺伝子候補の選抜に成功した。

今後の研究の推進方策

植物の新種誕生の原理の解明促進を目的として、モデル農作物・植物についての種横断的な遺伝子発現ネットワーク比較解析および高精度機能アノテーション情報解析を進め、得られた結果をWebデータベースPODCに格納し、研究者コミュニティーや社会に発信する。特に、文献情報を用い、自然言語処理により生物学的機能に関する知識情報を集約し、マニュアル・キュレーションを通して高精度・高信頼度な機能アノテーション情報を遺伝子（産物）に付与する。高速シーケンサー・データより構築した遺伝子発現ネットワーク情報と遺伝子発現制御情報を融合すると共に、たとえば、生殖機能などに関わる遺伝子群の植物種間での共有性・特異性を簡便に抽出可能とする。

研究成果

• [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
  • 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] Complete chloroplast genome sequence and phylogenetic analysis of wasabi (Eutrema japonicum) and its relatives (2019)
  • 著者名/発表者名: Haga Natsuko, Kobayashi Masaaki, Michiki Nana, Takano Tomoyuki, Baba Fujio, Kobayashi Keiko, Ohyanagi Hajime, Ohgane Jun, Yano Kentaro, Yamane Kyoko
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 ページ: 14377
  • 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: Scientific Reports 巻: 9 ページ: 5888
  • DOI: 10.1038/s41598-019-42231-9
  • 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