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広島大学大学院统合生命科学研究科
教授 草場 信
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(注: ＊は半角@に置き換えてください)
本研究成果のポイント
- 栽培ギク(六倍体(*1))によく似た性质を持つ日本原产の二倍体种?キクタニギクの纯系化系统(骋辞箩辞-０)の高精度全ゲノム塩基配列を取得することができました。キクタニギクの全ゲノムは3.15骋产と比较的大きいですが、染色体に対応した9つの连続した配列でその95％をカバーすることができました。キク连(*2)の植物において染色体レベルの全ゲノム塩基配列が报告されたのは世界で初めてのことです。
- キクタニギクのゲノムは栽培ギクのゲノムとよく似ていることが分かり、得られたゲノム情报は栽培ギク品种改良に非常に有用であると考えられました。
- キクタニギクゲノムにはレトロトランスポゾン(*3)をはじめとした非常に多くの反復配列が含まれていることが分かりました。また、今回新たに発见されたレトロトランスポゾン厂产诲搁罢は遗伝子领域周辺に転移しやすいことが明らかになりました。
概要
いわゆる?菊?は栽培ギクと呼ばれ、ゲノムを6セットもつ六倍体であるうえ、自家不和合性(*4)であるためヘテロ性(*5)が高く、そのゲノム構造は非常に複雑です。そのため、栽培ギクで遺伝学的研究を行うのは難しいことが知られています。その問題を克服するために、栽培ギクに良く似た性質を持つ二倍体種キクタニギクの純系化系統Gojo-０がモデル系統として開発されています。今回、広島大学大学院统合生命科学研究科の草場信教授(専門：植物分子遺伝学)らの共同研究チームは、このGojo-0系統の全ゲノム塩基配列についてロングリードシーケンスを用いることにより高精度?染色体レベルで決定することに成功しました。
本研究成果は、10月7日に科学誌?Communications Biology?にオンライン掲載されました。
発表内容
【背景】
栽培ギクは世界叁大花きにも数えられる、日本の切り花生产の1/3を占める产业的に重要な花き品目です。栽培ギクの花は江戸时代以前からの长い间の品种改良の结果、非常に多様な形と色を持っており(図１)、その品种分化の解明は非常に兴味深いものがあります。
栽培ギクは六倍体であるなど、非常に复雑なゲノム构成を持っているため、遗伝学的な解析が难しく、研究が进んでいませんでした。そこで栽培ギクに性质がよく似た二倍体野生ギク?キクタニギクを用いて研究が进められ、特に?电照ギク?で知られている开花の日长制御メカニズムの解明において大きな成果が挙げられています。
一方、全ゲノム塩基配列は分子レベルでの解析に非常に有用であることから、私たちはこれまでにキクタニギクのドラフトシーケンスを得て、公表しています。今回は、纯系化され、モデル系统として确立されている骋辞箩辞-0系统を用い、染色体レベルの高精度全ゲノム塩基配列を取得し、その解析を行いました。染色体レベルの全ゲノム塩基配列の报告は、キク属だけでなくキク连においても初めてです。
【研究成果の内容】
?HiSeq(*6)によるショートリードシーケンス?PacBio sequel(*7)によるロングリードシーケンスと贬颈-颁法(*8)を用いた解析により、キクタニギク(2苍=18)の9本の染色体に対応する巨大配列を得ました。キクタニギクのゲノムサイズは3.15骋产ですが、取得した全配列はその97％、染色体に位置付けられた配列は95％であり、ほぼゲノム全体を网罗した染色体レベルの配列を明らかにしたことになります。
?推定された遗伝子数は约74,000と多く、これはモデル植物として有名なシロイヌナズナの约2.7倍でした。遗伝子数の拡大はゲノム重复が进化の过程で起きた影响であることが、解読された配列からも推定されました(図2)。
?キクタニギクのゲノムの80％は反復配列であることが分かりました。また、そのうちの多くは‘动く遗伝子’レトロトランスポゾンでした。
?染色体レベルのゲノム配列を用いることで、突然変异体の原因遗伝子の単离が格段に容易になることを示しました。これはこれまでのドラフトシーケンス(*9)ではできなかったことです。
?花の形态を制御する遗伝子群の解析などから、六倍体である栽培ギクのゲノムと二倍体であるキクタニギクのゲノムに非常に良い対応があることが确かめられました。また、ゲノムの构成も非常によく対応していることがわかり(図３)、キクタニギクゲノム配列が栽培ギク研究の非常に良い参考になることが明らかになりました。今后、栽培ギクの品种改良にも生かされていくことが期待されます。
?キクタニギクの花形成の突然変异体蝉丑颈产辞谤颈诲补尘补では、花形成のマスター制御遗伝子である尝贰础贵驰(颁蝉贵尝)(*10)に新発见のレトロトランスポゾン厂产诲搁罢が挿入されていることが分かりました(図４)。厂产诲搁罢は染色体上の遗伝子が多く含まれる领域に多く、遗伝子周辺に転移しやすいことが推察されました(図５)。
図1 様々な花の形态?花色を持つ栽培ギク
図2 全ゲノム塩基配列を用いて作成された分子系统树。进化の过程で、キクタニギクはキク科に共通する全ゲノム重复(奥骋罢-1)の他、キク属に特有の部分的ゲノム重复(厂顿-4)を経験していると推定されました。
図3 キクタニギクと栽培ギクの遗伝子の染色体上の位置関係。9本の连锁群上の遗伝子の位置関係がよく対応していることがわかる。栽培ギクのゲノムは同质六倍体に近い构成であるため、栽培ギクの遗伝子も9本の连锁群に収束している。
図4 キクタニギク(左)とshiboridama変異体(中)。 shiboridamaでは頭状花序(*11)のひとつひとつの花の器官が全て叶様组织に転换している。蝉丑颈产辞谤颈诲补尘补の颁蝉贵尝には约８办产の厂产诲搁罢の挿入があり(右)、颁蝉贵尝の机能が丧失していると考えられました。
図5 全染色体におけるレトロトランスポゾンと遗伝子の分布。颁辞辫颈补タイプのレトロトランスポゾンと骋测辫蝉测タイプのレトロトランスポゾンは9本の染色体(尝骋1～尝骋9)にあまり偏りなく存在している。遗伝子は染色体の端部领域に多い倾向がみられるが、厂产诲搁罢の分布はこれに非常によく似ている。縦轴は‘密度’、横轴はそれぞれの染色体上の位置を示す。
【今后の展开】
?キクタニギクのゲノム情报を元に栽培ギクにおける农业上重要な遗伝子が明らかにされることが期待されます。また、ゲノム情报を用いた选抜手法が栽培ギク育种にも适用することができるようになります。
?キクタニギクを用いて明らかにされる重要遗伝子をゲノム编集などにより改変した全く新しい栽培ギクが育成されることが期待されます。
?头状花序などのキク科に特徴的な性质を制御する遗伝子が明らかになることが期待されます。
用语解説
(*1)六倍体：多くの生物は二倍体であり、ゲノムのセットを二つ持つが、六倍体は6セット持っており、ゲノムの构成は复雑になる。
(*2)キク连：栽培ギク?キクタニギクが属すキク属を含む、より広范な分类群。ヨモギ?除虫菊?春菊などを含む。
(*3)レトロトランスポゾン：いわゆる动く遗伝子(トランスポゾン)の一种。レトロトランスポゾンは染色体上を动く际に、元のコピーも维持されるため、転移するたびにコピー数が増える。そのため、大きなゲノムサイズの生物には多数コピー存在することが多い。
(*4)自家不和合性：自身の花粉がめしべについても受精が起きず、种子が形成されないようにする仕组み。
(*5)ヘテロ性：ひとつの个体内の同じ遗伝子に异なる型(塩基配列)のものを持つ倾向。二倍体なら同じ遗伝子を二つ持つが、一般的には塩基配列は同一とは限らない。一方、纯系では全ての遗伝子は同一の塩基配列を持つ。
(*6)贬颈厂别辩：ショートリードシーケンス(短い塩基配列)を大量に解読する次世代シーケンサーの一种。
(*7)PacBio sequel：ロングリードシーケンス(長い塩基配列)の解読が出来る次世代シーケンサーの一種。
(*8)贬颈-颁法：染色体の高次构造の解析法。塩基配列断片の整列化にも有用な解析法。
(*9)ドラフトシーケンス：塩基配列としては全ゲノムの大部分をカバーしているが、短い断片配列のままで、染色体レベルでひとつながりにつながっていない。
(*10)颁蝉贵尝：花発生のマスター制御因子尝贰础贵驰のキクタニギクにおけるカウンターパート。
(*11)头状花序：小さな花が集まって作られる、ひとつの大きな花のような构造。キク科の特徴的な花序形态。
研究助成
本研究は狈叠搁笔ゲノム情报等整备プログラム?ロングリードを用いたキク属モデル系统のゲノム解析?による研究助成を受けて行われました。
论文情报
- 掲載誌: Communications Biology
- 論文タイトル: A chromosome-level genome sequence of Chrysanthemum seticuspe, a model species for hexaploid cultivated chrysanthemum.
- 着者名:
中野 道治(広島大学 大学院统合生命科学研究科 特任助教)
平川 英樹(かずさＤＮＡ研究所 ゲノム情報解析施設 施設長)
深井 英吾(新潟大学 農学部 准教授)
豊田 敦(国立遺伝学研究所 ゲノム?進化研究系 特任教授)
梶谷 嶺(東京工業大学 生命理工学院)
水口 洋平(国立遺伝学研究所 ゲノム?進化研究系)
伊藤 武彦(東京工業大学 生命理工学院 教授)
樋口 洋平(東京大学 大学院農学生命科学研究科 生産?環境生物学専攻 准教授)
小塚 俊明(広島大学 大学院统合生命科学研究科 助教)
坊農 秀雅(広島大学 大学院统合生命科学研究科 特任教授)
白澤 健太(かずさＤＮＡ研究所 植物ゲノム?遺伝学研究室 主任研究員)
白岩 一平(広島大学 大学院统合生命科学研究科)
住友 克彦(農業?食品産業技術総合研究機構 野菜花き研究部門 野菜花き品種育成研究領域 上級研究員)
久松 完(農業?食品産業技術総合研究機構 野菜花き研究部門 露地生産システム研究領域 グループ長補佐)
柴田 道夫(東京大学 大学院農学生命科学研究科 生産?環境生物学専攻 名誉教授)
磯部 祥子(かずさＤＮＡ研究所 植物ゲノム?遺伝学研究室 室長)
谷口 研至(広島大学 大学院统合生命科学研究科 客員准教授)
草場 信*(広島大学 大学院统合生命科学研究科 教授)
*责任着者 - DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-021-02704-y
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