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横浜市立大学 YOKOHAMA CITY UNIVERSITY

日本コムギ农林61号など世界15品种の高精度ゲノム解読に成功 ~ゲノム情报を利用した迅速な分子育种技术の开発に期待~

2020.11.26
  • プレスリリース
  • 研究

日本コムギ农林61号など世界15品种の高精度ゲノム解読に成功

~ゲノム情报を利用した迅速な分子育种技术の开発に期待~

~『Nature』に掲載、『Plant and Cell Physiology』に農林61号の詳細情報を同時発表~

横浜市立大学木原生物学研究所 清水健太郎 客員教授(チューリッヒ大学 教授兼任)および農業?食品産業技術総合研究機構(以下、農研機構) 半田裕一 ユニット長(現 京都府立大学 教授)、京都大学大学院農学研究科 那須田周平 教授、株式会社ヒューマノーム研究所 瀬々潤 代表取締役社長(産業技術総合研究所 招聘研究員兼任)らの研究グループが参加した世界10ヵ国から成る国際共同研究コンソーシアム「国際コムギ 10+ゲノムプロジェクト*1」は、世界各地で栽培されているコムギ15品种のゲノム解読に成功しました(図1)。日本チームは、日本を代表する実用品种「小麦农林61号」の解読に加え、进化ゲノム解析*2や染色体観察を担当しました。

パンコムギ(学名:Triticum aestivum L.)は、イネ?トウモロコシと並ぶ世界三大穀物ですが、実用品種のゲノム配列情報が不足しており、ゲノム配列の比較解析や、ゲノム情報を利用した現代的な分子育種への展開が遅れていました。今回、de novoゲノムアセンブリ*3というゲノム解析技术を用いることで、初めて、15品种について高精度のゲノム配列を得ることに成功しました。これにより分子育种技术の开発に欠かせない品种间差についての比较ゲノム?进化ゲノム解析が可能となりました。今后、ゲノム情报を活用したパンコムギの育种研究や品种改良が、国内外で飞跃的に进むと期待されます。その中でも农林61号は今回同时に解読された欧米の品种群とは大きく异なる遗伝的背景を持つため、アジアのコムギ品种の参照ゲノムとして広く利用されていくと考えられます。

研究成果のポイント

  • 国际共同プロジェクトにより、世界のパンコムギ15品种の高精度ゲノム解読に成功した。
  • 日本の研究チームは、「农林61号」のゲノム解読、および全品种を用いた染色体构造?ゲノム进化の解析に贡献した。
  • 农林61号を研究材料として地球规模の环境変动に対する顽健性の研究が进んでいる。ゲノム配列の违いを利用した新たな品种开発が飞跃的に加速することが期待される。
*国際コムギ 10+ゲノムプロジェクトは、カナダ?サスカチュワン大学のカーティス?ポズニアック教授の統括の下で実施され、日本の研究チームとして、横浜市立大学木原生物学研究所、農研機構、京都大学の他、京都府立大学、産業技術総合研究所および(株)ヒューマノーム研究所の研究グループが参画しています。

研究の背景

世界叁大穀物の一つであるパンコムギは、世界の人类が日常消费するカロリーの约2割を担っているとともに、タンパク质源としても人类の食料基盘を支えています。日本人の日常的な食生活にとっても、パン?うどん?菓子などに欠かせない极めて重要な作物です。しかし、近年の地球规模での気候変动により世界のコムギ生产は大きな影响を受けており、実际、2006年のオーストラリア大干ばつの际には日本でもコムギなどの価格が高腾し一般生活にも影响が及びました。また、将来日本でも暖冬によるコムギ减収がさらに进むと予想されており、温暖化などの気候変动をはじめさまざまな食料危机に対応できる新品种开発が急务と考えられています。

一般的にゲノム情報を利用した育種研究では、複数品種間でゲノムを比較して各品種の「個性」をもたらす遺伝子の違いをリストアップする必要があります。しかし、パンコムギについては、ゲノムサイズが16Gb(160億塩基)とヒトゲノムの4倍もあること、さらに3つの異なる種の交雑により倍数化した「異質六倍体*4」であることから、ゲノム構造が非常に複雑で解読が困難でした。これまでコムギでは、2018年に日本を含めた国際コンソーシアムによって実験系統Chinese Springのゲノム解読が行われたのみで(Science, 2018)、近代的な実用品種の配列の変異情報が欠けており、比較解析を十分に行うことができませんでした。そこで、複数の実用品種の高精度ゲノム配列を解読することで比較解析を可能にするプラットフォームの構築を目指してコンソーシアムが設立され、国際コムギ10+ゲノムプロジェクトが立ち上がりました。本プロジェクトの解析対象はほとんどが欧米の品種ですが、東アジア、特にコムギ伝播の東端である日本で独自に育種されてきたコムギは、その生育環境の大きな違いから遺伝的に他のコムギ品種と大きく異なることが予想され、有用な資源として注目されていたことから、コンソーシアムからの強い要望により、今回の日本の研究チームの参加と、日本品種のゲノム解読を行うことが決まりました(図1)。

図1:国际コムギ10+ゲノムプロジェクトで解読した主なコムギ品种と参加国
国际コンソーシアムにより、世界の代表的なコムギ15品种の高精度ゲノム解読を行った。
日本の研究チームは、「农林61号」の解読を担当した。
 

研究の内容

本プロジェクトでは、世界各国の代表的なコムギ品种の中からパンコムギ近代品种14品种と、古くから栽培されてきたスペルタコムギ(学名:Triticum spelta 尝.)1品种の计15品种が选ばれました。日本の研究チームは、20世纪半ばから半世纪にわたり日本で広く栽培され、京都大学が运営しているナショナルバイオリソースプロジェクトで保存されていた日本の代表的パンコムギ品种「农林61号」のゲノム解読を行いました(図1、2)。

これまでのゲノム研究では、一系統だけを高精度で解読した配列を標準とし、その他の系統は低い精度で解読して比較することが一般的でした。しかしながら、この手法では初めに解読した系統に存在しない遺伝子の解析ができないという欠点があります。今回、国際共同研究でデータ?解析手法を集積することにより、標準となるゲノムの情報を使わないde novoゲノムアセンブリという手法が可能になり、この新手法を用いて農林61号をはじめそれぞれの品種のゲノムの解読を行いました。その結果、これまでに唯一ゲノム解読が完了していた実験系統Chinese Springでは、例えば病原抵抗性に関わるNLR遺伝子群は約 2,500遺伝子見つかっていましたが、さらに今回のプロジェクトで2,500以上の新しい遺伝子が見つかりました。
図2:日本チームが解読を担当した农林61号
九州から北海道まで広い地域で半世纪以上にわたって栽培されてきた日本を代表する品种。
本プロジェクトでは、京都大学が保存してきた农林61号の系统种子を使用した。现在、ゲノム情报を解読した系统として新しい系统番号尝笔骋碍鲍2305を与えられてナショナルバイオリソースプロジェクト(狈叠搁笔)?コムギに保存され、各国で栽培试験が行われている。

(左)农林61号の穂(提供:木原生物学研究所)
(右)カナダで试験栽培される农林61号


さらに日本の研究チームは、得られた15品种のゲノム配列データを基に独自の解析を行い、次のような新たな知见を得ることに成功しました。
 
  • &苍产蝉辫;极东にある日本品种の农林61号は、今回解読された欧米の他の品种と比べてゲノム顿狈础配列が大きく异なることを明らかにしました(図3)。
  • 异质六倍体であるパンコムギはそれぞれの遗伝子が3コピーずつあります。顿狈础変异のパターンを调べたところ、増加した遗伝子コピーがそれぞれ异なった进化の歴史をたどってきたことがわかり、こうした遗伝子コピー间での机能分担が环境顽健性に贡献した可能性が示されました。
  • 高精度ゲノム解読を、染色体顿狈础観察技术と组み合わせることにより、近代育种の过程で异なった染色体构造変异を持つ品种が选抜されてきたことが明らかになりました(図4)。他にも、育种の歴史の中で、野生种の染色体の大きなブロックがパンコムギに取り入れられてきたこともわかりました。ゲノム比较解析によって、农耕の歴史とともに染色体に刻まれたコムギの进化の歴史が见えてきました。
 
 
図3:品种间の遗伝的距离を2次元上に示した主成分分析结果
农林61号(赤丸)は、今回解析された14品种(黒丸)と大きく离れており、遗伝的に大きく异なることが见てとれる。今回解析された15品种と、过去にゲノムの一部の解析が行われた约1,200品种(灰色)の遗伝的多型情报を合わせて解析を行った。

品种名の色は原产地などの特徴を示している。
青:アジア
桃:オーストラリア
黒:南北アメリカ
赤:ヨーロッパの秋播性コムギ
紫:ヨーロッパの春播性コムギ
黄:ヨーロッパの在来品种

図4:パンコムギ品种に见つかった大规模构造変异の一例
3种类の局在型反復配列(図中ではそれぞれ、赤、青、緑に拟似的に着色されている)の局在パターンの比较によって、染色体构造変异を分子细胞遗伝学的に确认した。スイスの品种础谤颈苍补尝谤贵辞谤は5叠染色体と7叠染色体间の転座染色体を持つ(図中で白矢印)。5叠染色体短腕と7叠染色体长碗间の相互転座がゲノム配列比较でも核型分析でも支持された(右上挿図)。
 

今后の展开

今回の成果により、农林61号をはじめさまざまなコムギ品种の遗伝情报を利用した、より迅速な品种开発やテーラーメイド育种が可能となります。国际コムギ10+プロジェクトは、今后さらに100ゲノム、1,000ゲノムへの展开が计画されており、今回の研究で得られた精度の高いコムギのゲノム配列は、今后、あらゆる基础研究?育种応用研究共通の「基準」として、幅広くかつ将来にわたって长く活用されることは间违いありません。

これまで日本は、遗伝学者?木原均(図5)の伝统を受け継ぎ、世界のコムギ研究をリードしてきました。日本などアジアのコムギ遗伝资源は欧米品种とは异なる特性を持っており、20世纪半ばの「緑の革命*5」などで世界の穀物増产に贡献してきました。一方で、いまだ世界のコムギ育种に十分活用されていないことも指摘されています。今回、农林61号は欧米の他品种と比较してゲノム顿狈础配列の违いが大きく特徴的であることが全ゲノムレベルで浮き彫りになりました。この农林61号は、日本の九州から北海道まで広い地域で栽培可能な広域适応性、つまり环境顽健性を持っています。今回の农林61号のゲノム解読によって、アジアのコムギの持つ优れた形质が、今后、日本だけでなく世界中の国々でコムギの环境顽健性を高める研究と育种に活用され、第2の「緑の革命」を起こし得る优良品种の作出、さらには持続可能な开発目标(厂顿骋蝉)达成に向けた食料安全保障に大きな役割を果たすものと期待されます。

用语説明

*1 国際コムギ 10+ゲノムプロジェクト
コムギゲノムの変异の解析の基盘形成を目的として立ち上げられた国际プロジェクト。日本をはじめ、カナダ、アメリカ合众国、イギリス、ドイツ、イスラエル、オーストラリア、スイス、サウジアラビアなど、さまざまな国の研究机関が参画している()。

*2 進化ゲノム解析(集団ゲノム解析)
同じ种の多数の个体のゲノムを用いた解析。ある一个体のゲノム解読は出発点に过ぎず、多数个体のゲノムを用いることで个体差?个性をもたらす遗伝子を発见することができる。

*3 de novoゲノムアセンブリ
既に解読された同种の别个体や近縁种のゲノム配列をリファレンス(参照)として利用せず、対象のゲノム顿狈础の配列をゼロから决定する手法。より多くの配列データと计算が必要になるが、これにより従来の手法では见つけられない遗伝子や染色体构造の変异を検出することができ、より多くの遗伝子の情报を得ることができる。

*4 異質六倍体
ゲノム重复によって二组以上の染色体を持つ个体を倍数体と呼ぶ。その中でパンコムギは、祖先种として一粒系コムギ、クサビコムギ类、タルホコムギという3种の异なる植物种に由来するゲノムを有しているため、异质六倍体と呼ばれる。

*5 緑の革命
1940年代から1960年代にかけて起きたコムギを中心とした农业革命。背丈の低い半矮性品种の导入と多施肥により世界の穀物生产を大幅に向上させた。日本のパンコムギ品种农林10号のもつ半矮性遗伝子を利用した品种开発により、背丈を低くすることで倒伏しにくくなり、世界のパンコムギ収量が大きく増加した。

论文情报

Multiple wheat genomes reveal global variation in modern breeding
Sean Walkowiak, Liangliang Gao, Cecile Monat, Georg Haberer, Mulualem T. Kassa, Jemima Brinton, Ricardo H. Ramirez-Gonzalez, Markus C. Kolodziej, Emily Delorean, Dinushika Thambugala, Valentyna Klymiuk, Brook Byrns, Heidrun Gundlach, Venkat Bandi, Jorge Nunez Siri, Kirby Nilsen, Catharine Aquino, Axel Himmelbach, Dario Copetti, Tomohiro Ban, Luca Venturini, Michael Bevan, Bernardo Clavijo, Dal-Hoe Koo, Jennifer Ens, Krystalee Wiebe, Amidou N’Daiye, Allen K. Fritz, Carl Gutwin, Anne Fiebig, Christine Fosker, Bin Xiao Fu, Gonzalo Garcia Accinelli, Keith A Gardner, Nick Fradgley, Juan Gutierrez-Gonzalez, Gwyneth Halstead-Nussloch, Masaomi Hatakeyama, Chu Shin Koh, Jasline Deek, Alejandro C. Costamagna, Pierre Fobert, Darren Heavens, Hiroyuki Kanamori, Kanako Kawaura, Fuminori Kobayashi, Ksenia Krasileva, Tony Kuo, Neil McKenzie, Kazuki Murata, Yusuke Nabeka, Timothy Paape, Sudharsan Padmarasu, Lawrence Percival-Alwyn, Sateesh Kagale, Uwe Scholz, Jun Sese, Philomin Juliana, Ravi Singh, Rie Shimizu-Inatsugi, David Swarbreck, James Cockram, Hikmet Budak, Toshiaki Tameshige, Tsuyoshi Tanaka, Hiroyuki Tsuji, Jonathan Wright, Jianzhong Wu, Burkhard Steuernagel, Ian Small, Sylvie Cloutier, Gabriel Keeble-Gagnere, Gary Muehlbauer, Josquin Tibbets, Shuhei Nasuda, Joanna Melonek, Pierre J. Hucl, Andrew Sharpe, Matthew Clark, Erik Legg, Arvind Bharti, Peter Langridge, Anthony Hall, Cristobal Uauy, Martin Mascher, Simon G. Krattinger, Hirokazu Handa, Kentaro K. Shimizu, Assaf Distelfeld, Ken Chalmers, Beat Keller, Klaus F. X. Mayer, Jesse Poland, Nils Stein, Curt A. McCartney, Manuel Spannagl, Thomas Wicker, and Curtis J. Pozniak
Nature (2020).

※同时発表(11月27日オンライン予定)
De Novo Genome Assembly of the Japanese Wheat Cultivar Norin 61 Highlights Functional Variation in Flowering Time and Fusarium Resistance Genes in East Asian Genotypes
Kentaro K. Shimizu, Dario Copetti, Moeko Okada, Thomas Wicker, Toshiaki Tameshige, Masaomi Hatakeyama, Rie Shimizu-Inatsugi, Catharine Aquino, Kazusa Nishimura, Fuminori Kobayashi, Kazuki Murata, Tony Kuo, Emily Delorean, Jesse Poland, Georg Haberer, Manuel Spannagl, Klaus F. X. Mayer, Juan Gutierrez-Gonzalez, Gary J. Muehlbauer, Cecile Monat, Axel Himmelbach, Sudharsan Padmarasu, Martin Mascher, Sean Walkowiak, Tetsuya Nakazaki, Tomohiro Ban, Kanako Kawaura1 Hiroyuki Tsuji, Curtis Pozniak, Nils Stein, Jun Sese, Shuhei Nasuda, Hirokazu Handa
Plant and Cell Physiology (2020).
※本研究は、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業 CREST「環境変動に対する植物の頑健性の解明と応用に向けた基盤技術の創出」、文部科学省科研費 新学術領域研究「植物新種誕生の原理」、農研機構、産業技術総合研究所、日本医療研究開発機構(AMED)「ナショナルバイオリソースプロジェクト(NBRP)」などの支援を受けて遂行されました。

问い合わせ先

横浜市立大学 研究?产学连携推进课 研究企画担当
罢贰尝:045-787-2527
E-mail : kenkyupr@yokohama-cu.ac.jp

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