【研究領域課題番号】19KK0154 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

イネ / リン欠乏土壌 / AZ-97 / 微生物叢 / QTL / マダガスカル / 根圏 / 微生物 / F2集団育成 / DNAマーカー設計 / AZ97 / リン獲得戦略

【研究成果の概要】

課題1: リン欠乏環境における「AZ-97」の高いリン獲得能のメカニズムの解明
昨年度までに行ったポット試験において、微生物叢の解析を更に進めた結果、「AZ-97」と「IR64」間で、土壌滅菌後の微生物叢に差が生じていることを明らかにした。特に「AZ-97」のAlphaproteobacteriaの量が「IR64」よりも有意に多いことが判明した。これらを知見を加えて、論文執筆を開始した。
課題2:少量のリンでも生育が良好な「AZ-97」の遺伝要因の解明
「AZ-97/X265」由来のF2集団をマダガスカルの低リン土壌下で栽培し遺伝解析を行ったところ、低リン土壌下でも第1染色体長腕に「AZ-97」型で栄養生長期の分げつ数を増加させるQTLを検出した。F2集団の分げつ数とバイオマスには正の相関が確認されたが、分げつQTL領域にバイオマスのQTLは検出されなかった。
課題3：材料育成としてF5集団を栽培し、F6種子を現在収穫中である。また、分げつQTLの準同質遺伝子系統を育成するために戻し交配を継続し、BC3F1種子を獲得した。

【研究種目】国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B))

【研究期間】2019-10-07 - 2023-03-31

【配分額】18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円)

【研究領域課題番号】19K05751 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マグネシウム / イネ / シロイヌナズナ / MutMap / QTL-seq / 品種間差 / MutMap法 / 低マグネシウム / 次世代シーケンサー / QTL / イオン吸収

【研究成果の概要】

地上部のマグネシウム濃度が低いイネ変異体の1番染色体上にはlong deletionがあり、この領域には2つの遺伝子が含まれていた。そこで、ゲノム編集にてそれぞれをノックアウトした変異体を作出したところ、zinc fingerタンパク質をコードする遺伝子の欠損が、マグネシウム含量低下の原因と確認された。マグネシウム動態に関わるzinc fingerタンパク質が同定されたのはこれが初めてである。
低マグネシウム品種Ove-0と高マグネシウム品種Col-0のゲノムを用いてQTL-seq解析を実施し、マグネシウム濃度を制御する遺伝子座が5番染色体の0~2.3 Mbの領域に存在することを突き止めた。

【研究の社会的意義】

多量必須元素であるマグネシウムの吸収や体内動態を司る複数のイオン輸送体は同定されているが、それらが協調してマグネシウムの濃度を制御する仕組みはよくわかっていない。本研究で発見したイネの遺伝子は、微生物や哺乳類にも相同遺伝子が存在するが、これまでにマグネシウム動態への関与が示されたことはない。また、シロイヌナズナにおける候補領域にも、マグネシウムに関係する既知の遺伝子は座上しておらず、マグネシウムの濃度制御に関わる新規の因子の発見が予想される。近年、主要穀物中のマグネシウム濃度は低下の一途をたどっており、これらの遺伝子の情報は高マグネシウム品種の開発につながると期待される。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】育種学

【研究領域課題番号】22380010 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

植物育種 / 遺伝 / ゲノム育種 / ゲノミックセレクション / 量的遺伝子座(QTL) / 一塩基多型(SNP) / 育種シミュレーション / 作物育種 / 選抜方式 / 量的遺伝子座（QTL） / イネ / 一塩基多型（SNP） / 機械学習 / 量的形質遺伝子座(QTL) / 選抜方法

【研究成果の概要】

ゲノムワイドマーカーをもとに個体や系統の遺伝的能力を予測して選抜するゲノミックセレクション(GS)について、(1)モデリング手法の開発、(2)イネ品種・系統における実データの収集・解析、(3)育種シミュレーションを行い、それを活用した作物育種効率化の可能性を検討した。(1)では、複数形質の同時予測、交配後代の分離の予測、遺伝子型×環境交互作用パターンの予測のための手法開発を行った。(2)では、イネ遺伝資源についてゲノムワイドSNPデータを収集するとともに、それを利用して様々なタイプの形質の予測精度を明らかにした。(3)では、他殖性植物と自殖性植物を想定したシミュレーションをそれぞれ行った。研究の結果、ゲノム情報に基づく予測のための種々の手法が開発された。また、作物育種に適したGSの利用形態を明らかにできた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】16,250千円 (直接経費: 12,500千円、間接経費: 3,750千円)

【研究分野】作物学・雑草学

【研究領域課題番号】21380012 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

イネ / 雑種強勢 / QTL / ＱＴＬ / バイオマス / 稲

【研究成果の概要】

イネのバイオマス生産を向上させる基礎として、ジャポニカ稲とインディカ稲の間の雑種強勢に関わる量的形質遺伝子座の同定を試みた。ジャポニカとインディカの組換え近交系に両親を戻し交配を行ったマッピング集団から同定された収量構成要素とバイオマスのQTLはいずれも優性あるいは部分優勢であり、超優性を示したQTLは見られなかった。このことから、イネの雑種強勢は優性遺伝子の集積によるものであると考えられた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2009 - 2012

【配分額】19,110千円 (直接経費: 14,700千円、間接経費: 4,410千円)

【研究分野】作物学・雑草学

【研究領域課題番号】18380011 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

イネ / QTL / 発育モデル / 出穂日

【研究成果の概要】

作物の生育するフィールド環境は様々な環境要因が時々刻々と変化するため、フィールド環境に対して作物が示す発育応答(栄養成長や花芽分化、出穂など)は、制御環境下とは違って複雑かつ解析困難である。本研究では、農業気象学的なモデリング技術を量的遺伝子座(QTL)解析法と結びつけることにより、フィールドの気温や日長に対するイネの発育関連遺伝子の応答様式を解明する方法論を確立した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】17,900千円 (直接経費: 15,200千円、間接経費: 2,700千円)

【研究分野】作物学・雑草学

【研究領域課題番号】17208003 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

イネ / 収量 / 染色体部分置換系統 / ルビスコ / 非構造性炭水化物 / メタボローム解析 / QTL解析 / シンク / ソース / ゲノム / ソース機能 / QTL / シンク機能 / マクロアレイ

【研究成果の概要】

本研究では、主に染色体部分置換系統(CSSL)を材料としてイネの収量に関わるシンク機能、ソース機能の遺伝的要因を明らかにすることを目的とした。
(1)コシヒカリを遺伝的背景としたカサラスのCSSL39系統について、光合成炭酸固定酵素であるルビスコの含量と非構造性炭水化物(NSC)濃度を調査した結果、第10染色体の一部がカサラスに置換された系統で両者がコシヒカリより有意に高かった。ルビスコ含量に関するQTLは光合成速度の向上に寄与するものと期待される。
(2)ササニシキを背景としたハバタキのCSSL39系統について、ルビスコ含量、NSC濃度等を調査した結果、第5染色体の一部がハバタキに置換された系統で3者ともに有意に増大した。ルビスコ含量に関するQTLは新規なものであり、ササニシキよりも26%ルビスコ含量を高める効果のあるもので、ソース機能の向上に有用と考えられた。
(3)(2)で得られたルビスコ含量の高い系統(SL-417およびSH-29)とコシヒカリを遺伝的背景として第1染色体上のSPS1遺伝子座を含む領域をカサラス型に置換した系統(SPS-NIL)について収量等を解析した結果、ルビスコ含量の高い系統はササニシキに比べて登熟歩合が高かったため、この影響は登熟期に大きく出ていた。SPS-NILでは一穂籾数が多かったため、この影響は籾数を決定する幼穂形成期に大きく出ていた。
(4)(2)で得られたSL-417とササニシキの戻し交配集団の自殖後代についてNSC含量に関するファインマッピングを行い第5染色体上の約60-kbの範囲にQTLが存在することを明らかにした。この領域には炭水化物関連遺伝子等7つの遺伝子が含まれていた。
(5)代謝物の網羅的開発手法としてキャピラリー電気泳動/質量分析計を用いた新たなシステムを開発した。本方法はキャピラリーを交換することなくアミノ酸および有機酸を効率的に解析できるため、イネなどのメタボローム解析が進むことが期待される。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】47,190千円 (直接経費: 36,300千円、間接経費: 10,890千円)

【研究分野】作物学・雑草学

【研究領域課題番号】16380012 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

遺伝子型環境交互作用 / イネ / 組み替え近交系 / 茎数 / 収量構成要素 / 深水栽培 / 補償作用 / QTL / 最高茎数 / 一穂籾数 / 穂数 / 分げつ出現率

【研究成果の概要】

深水栽培が,茎数や茎の太さ,穂の大きさに与える影響を解析するために,アキヒカリ×IRAT109戻し交配由来組換え近交系106系統を宮城大内の水田で慣行法と深水管理で栽培し,生育と収量関連形質を調べた(2004,2005年).また,東北大学では,同組み替え近交系(2006年)と熱研2号×伽耶の組み替え近交系121系統(2004年),亀の尾×Dularの組替え近交系180系統(2005年)をポットで栽培し,生育調査をし,一部,サンプリングし分げつ性等を調査した.
水田での実験では,茎数と穂数の遺伝子型×水管理交互作用について解析した.その結果,分げつ数のQTLには,水管理との交互作用が大きいQTLと交互作用が小さいQTLとがあることが示唆された.さらに深水管理と慣行法での相対値を用いて解析したところ,稈の太さへの補償能力を持つ最高茎数QTLが検出できた.このQTLでは効果が逆方向で,深水栽培により茎数増加が抑制され,それによりイネの茎が太くなるという因果関係を確認することができた.また,同様に,茎の肥大と一穂籾数の増加も関連づけられた.それと同時に,最高茎数QTLとは重ならない稈の太さのQTLが検出され,因果関係によらず深水栽培が直接的に茎を太くする側面もあることが推察された.このことは,茎数の制御と太さの制御とを切り離して管理できる栽培技術開発が可能であることを示している.
さらに,収量に関しては,穂数がQTLレベルで収量と直接関わっていたが,この効果は,年次によって一穂籾数への補償作用を通して相殺されることもあり,このようなことが収量QTLの現れ方の年次変動に関係していることが示された.
このほか,ポット実験から,茎数に関するQTLを確認し,肥大に関する形態的な解析も行った.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】15,500千円 (直接経費: 15,500千円)

【研究分野】作物学・雑草学

【研究領域課題番号】15380013 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

イネ / 量的形質 / 雑種強勢 / エピスタシス / QTL / 収量性 / 分げつ / ヘテロシス

【研究成果の概要】

稲はジャポニカ(ssp. japonica)とインディカ(ssp. indica)の2つの亜種を含む。これら亜種間の交配は稲の育種には滅多に用いられてこなかったものの、バイオマスやストレス耐性など多くの農業形質において顕著な雑種強勢が現れることはよく知られてきた。こうした機構の解明は、稲の育種に大きく資するものと考えられる。本研究では、高い雑種強勢を示すジャポニカ×インディカ交配組合せによる分離集団において、各種の農業形質が遺伝的にどのように制御されているかを、DNAマーカーを利用した量的遺伝子座解析法(QTL解析法)によって解析した。解析にあたっては、研究代表者によって独自に育成された集団である熱研2号(ジャポニカ型改良水稲品種)×伽椰(インディカ型改良水稲品種)組換え近交系、亀の尾(ジャポニカ型在来水稲品種)xDular(インディカ型在来水陸稲品種)組換え近交系およびIR36(インディカ型改良水稲品種)xGenjahWangkal(ジャポニカ型在来水稲品種)組換え近交系を用いた。解析の結果、これまで遺伝的制御様式が未知であった多くの形質(出葉間隔、穎花退化など)についてQTLが明らかとなるとともに、多くの形質において、ジャポニカ由来の遺伝子とインディカ由来の遺伝子の間の遺伝子間相互作用(エピスタシス)が超越分離に密接に関わっていることが明らかとなった。なお、ある形質(例・分げつ数)のQTLが、積の形で働く2形質(分げつ休眠と出葉間隔)の、連鎖した微少なQTLの複合体であるケースなども見いだされたが、このことは、エピスタシスが必ずしも遺伝子間の分子的な相互作用だけでなく、こうした形態レベルでの形質の成り立ちに関わっている可能性を示唆しており、興味深い。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2003 - 2005

【配分額】15,200千円 (直接経費: 15,200千円)

【研究分野】作物学

【研究領域課題番号】13556004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

イネ / ゲノミクス / QTL / 組換え近交系 / 農業形質 / QTL解析 / 温度感受性 / 発育予測モデル / 発芽

【研究成果の概要】

稲のゲノム解読が終了しゲノム情報の作物の生産性向上への貢献に大きな期待が寄せられているが、このような応用研究進展上の大きな障壁の1つとなっているのが、農業形質の遺伝解析ための適切なリソースの不足である。こうした現状を鑑み、作物学研究者の視点を生かしたリソース育成を試みたのが本研究である。幸い、研究期間内に計4つのQTLマッピング集団(アキヒカリ(ジャポニカ水稲)×IRAT109(ジャポニカ陸稲)組換え近交系、熱研2号(ジャポニカ水稲)×伽耶(インディカ水稲)組換え近交系、亀の尾(ジャポニカ水稲)×Dular(インディカ天水田稲)組換え近交系、およびIR36(インディカ水稲)×GenjahWangkal(ジャポニカ陸稲)組換え近交系)を育成することができた。ターゲットは当初直播適性のみを想定したが、社会的ニーズを重視するという基本指針に則り農業上の重要性があれば他の形質も考慮に入れるという方針で仕事を進めた結果、それらは我が国の主要大学さらには中国の幾つかの大学などで広範に利用され、その成果をもとに平成17年度日本作物学会講演会においてシンポジウム「作物栽培学にとってなぜQTL情報が必要か」を開催することができた。なお、本研究では、民間企業と連携してリソースの増殖と分譲を民間企業に委託する可能性を探ることをも併せて試みた。この点に関しては、当初参画をいただいた企業の閉社のため具体的な事業としての成果をみるには至らなかったものの、稲のバイオテクノロジーをリードされてきた方々と踏み込んだ意見交換ができたことは大きな収穫であった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2004

【配分額】14,100千円 (直接経費: 14,100千円)

【研究分野】作物学

【研究領域課題番号】12660012 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

出葉間隔 / 量的形質遺伝子座 / イネ / QTL / 葉 / QTL解析

【研究成果の概要】

イネの茎葉部および地下部の発育(分げつ芽や冠根の分化出現)は、母茎の葉の出現と同周期的に進行する。従って、葉の出現する速度は個体全体の生育のペースメーカであり、その遺伝的制御機構を明らかにすることはイネの発育制御上、重要である。本研究では、イネの葉が出現する速度(出葉間隔:ある葉が出現してから次の葉が出現するまでの時間間隔)の制御機構を明らかにするため出葉間隔の品種間差をもたらす遺伝子の染色体マッピングを試みた。材料としてIR36(インディカ稲、出葉間隔が極めて短い)とLemont(ジヤポニカ稲、出葉間隔が極めて長い)のF2(190個体)をポット栽培し出葉間隔を測定するとともにDNAを採取し、86個のDNAマーカーを置いて連鎖地図を作成し出葉間隔に関する量的形質遺伝子座(QTL)をマッピングした。その結果、第1、2、9、11染色体に計5個のQTLが検出された。これらQTLの寄与度は8〜16%の範囲にあった。また、第9染色体のQTLを除きLemontの対立遺伝子が出葉間隔を延ばす方向に作用していた。これらの結果より、出葉間隔は、主動遺伝子ではなくポリジーン系によって制御されるものであることがわかった。なお。これらのQTLのうち、第1染色体に座乗するQTLはトウモロコシの突然変異体よりクローニングされた出葉間隔制御遺伝子terminal ear 1とシンテニーの関係にある領域に位置しており、その相同遺伝子がイネの出葉間隔の品種間差の原因の1つとなっている可能性が考えられた。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2000 - 2001

【配分額】3,700千円 (直接経費: 3,700千円)