【研究成果】确定菊属模型系统的高精度全基因组碱基序列~用于栽培菊花品种培育中的基因组信息的活用~
本研究成果的要点
成功获取了与栽培菊花(六倍体( *1) )性质非常相似的原产于日本的二倍体品种北野菊纯系化系统( Gojo-0 )的高精度全基因组碱基序列。 菊苣的全部基因组较大，为3.15Gb，但其95%能被对应染色体的9个连续序列所覆盖。 世界上首次在菊花连( *2)植物中报告了染色体水平的全基因组碱基序列。 研究人员发现，北野菊的基因组与栽培菊花的基因组非常相似，认为所得的基因组信息对栽培菊花品种改良非常有用。 研究发现，北野菊基因组中含有以逆转录酶( *3)为首的非常多的重复序列。 另外，还明确了这次新发现的逆转录酶SbdRT容易转移到基因区域周边。
概要 所谓的菊花被称为栽培菊花，是拥有6套基因组的六倍体，而且由于自身不亲和性( *4)，所以杂合性( *5)较高，其基因组结构非常复杂。 因此，众所周知很难用栽培菊花进行遗传学研究。 为了克服这一问题，具有与栽培菊花非常相似性质的二倍体物种菊苣净系化系统Gojo-0作为模型系统被开发出来。 此次，广岛大学研究生院综合生命科学研究科的草场信教授(专业:植物分子遗传学)等人的共同研究小组通过使用长引物序列，成功地在高精度染色体水平上决定了这个Gojo-0系统的全部基因组碱基序列。 本研究成果于10月7日在线刊登在科学杂志《通讯》上。
发表内容 【背景】 栽培菊花是世界三大花卉之一，占日本切花生产1/3的产业重要的花卉品种。 栽培菊花从江户时代以前开始经过长时间的品种改良，具有非常多样的形状和颜色(图1 )，其品种分化的阐明非常有趣。 由于栽培菊花为六倍体等，具有非常复杂的基因组结构，所以遗传学上的分析很难，研究没有进展。 因此，使用性质与栽培菊花非常相似的二倍体野生菊苣菊进行研究，特别是在阐明因电照菊花而被熟知的开花的日长控制机制方面，取得了很大的成果。 另一方面，由于全基因组碱基序列对分子水平的分析非常有用，因此我们至今为止得到了菊苣的草稿序列并进行了公布。 这次，利用被纯系化、被确立为模型系统的Gojo-0系统，取得了染色体水平的高精度全基因组碱基序列，并对其进行了分析。 染色体水平的全基因组碱基序列的报告，不仅在菊花属中，在菊花连中也是首次。
【研究成果的内容】 通过利用HiSeq(*6)的短读序列PacBio sequel(*7)的长读序列和利用Hi-C法( *8)的分析，获得了与北京菊( 2n=18 )的9条染色体相对应的巨大序列 菊苣苔的基因组大小为3.15Gb，但取得的全部序列为97%，定位于染色体的序列为95%，基本上明确了囊括了整个基因组的染色体级序列。 推测的基因数约为74，000多，是作为模式植物而闻名的拟南芥的约2.7倍。 从解密的序列中也推测出基因数的扩大是基因组重复在进化过程中发生的影响(图2 )。 研究表明，菊苣基因组的80%是重复序列。 另外，其中很多是“运动基因”逆转录酶。 表明利用染色体级的基因组序列，突变体的致病基因的分离变得特别容易。 这是迄今为止的拔模序列( *9)所不能做到的。 通过对控制花形态的基因组的分析等，确定了六倍体栽培菊花的基因组和二倍体菊苣菊的基因组有非常好的对应关系。 另外，发现基因组的结构也非常对应(图3 )，表明菊苣基因组序列可以作为栽培菊花研究的非常好的参考。 今后，期待在栽培菊花的品种改良中也能得到应用。 研究人员发现，北野菊花形成的突变体shiboridama中，新发现的逆转录酶SbdRT插入了花形成的主控基因LEAFY(CsFL ) ( *10 )。 据推测，SbdRT多存在于染色体上基因较多的区域，容易转移到基因周边(图5 )。
图1具有各种花的形态花色的栽培菊花
图2使用全基因组碱基序列制作的分子系统树。 据推测，在进化过程中，菊苣除了经历了菊科共有的全部基因组重复( WGT-1 )之外，还经历了菊科特有的部分基因组重复( SD-4 )。
图3菊苣与栽培菊花基因在染色体上的位置关系。 发现9条连锁群上的基因位置关系对应得很好。 由于栽培菊花的基因组结构接近同质六倍体，所以栽培菊花的基因也集中在9条连锁群中。
图4菊苣菊(左)和shiboridama突变体(中)。 在shiboridama，头状花序( *11 )的每朵花的器官都转换为叶样组织。 shiboridama的CsFL中插入了约8kb的SbdRT (右)，被认为失去了CsFL的功能。
图5逆转录转座子和基因在全部染色体上的分布。 Copia型逆转座子和Gypsy型逆转座子在9条染色体( LG1~LG9 )上存在得不太偏。 虽然发现基因在染色体的边缘区域有较多的倾向，但SbdRT的分布与此非常相似。 纵轴表示'密度’，横轴表示各自染色体上的位置。
【今后的展开】
期待以北野菊的基因组信息为基础，明确栽培菊花的农业上重要的基因。 另外，使用基因组信息的选拔方法也可以适用于栽培菊花育种。 期待培育出一种通过基因组编辑等改变了利用北野菊明确的重要基因的全新栽培菊花。 头状花序等菊科中控制特征性质的基因有望明确。
用语解说 ( *1)六倍体:许多生物是二倍体，有两套基因组，六倍体有六套，基因组结构复杂。 ( *2)菊花连:更广泛的分类群，包括栽培菊苣菊所属的菊花属。 包括艾蒿除虫菊、春菊等。 ( *3)逆转录酶:所谓运动的基因(转座子)的一种。 由于逆转录酶在染色体上运动时，原始拷贝也会维持，所以每次转移时拷贝数都会增加。 因此，大基因组大小的生物大多存在大量拷贝。 ( *4)自身不亲和性:使自身的花粉雌蕊也不发生受精，不形成种子的结构。 ( *5)杂合性:一个个体内的同一基因有不同类型(碱基序列)的倾向。 二倍体具有两个相同的基因，但一般来说碱基序列不一定相同。 另一方面，纯系中所有的基因都具有相同的碱基序列。 ( *6) HiSeq :是大量解读短读取序列(短碱基序列)的新一代可编程控制器的一种。 ( *7) PacBio sequel :是可以解读长序列(长碱基序列)的新一代可编程控制器的一种。 ( *8) Hi-C法:染色体高级结构的解析法。 对碱基序列片段排序也很有用的解析法。 ( *9)绘制序列:作为碱基序列复盖了全部基因组的大部分，但保持短片段序列，在染色体水平上没有连接在一起。 ( *10 ) CsFL :花发生的主控因素LEAFY在菊苣中的反作用部分。 ( *11 )头状花序:由小花聚集而成的，像一朵大花的结构。 菊科有特色的花序形态。
研究资助 本研究是接受了利用NBRP基因组信息等维护计划长期领先的菊花属模型系统的基因组分析的研究资助而进行的。
論文情報
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.
著者名:
中野 道治(広島大学 大学院統合生命科学研究科 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 大学院統合生命科学研究科 助教)
坊農 秀雅(広島大学 大学院統合生命科学研究科 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 大学院統合生命科学研究科)
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 大学院統合生命科学研究科 客員准教授)
草場 信*(広島大学 大学院統合生命科学研究科 教授)
*責任著者DOI: https://doi.org/10.1038/s42003-021-02704-y
用语解说 ( *1)六倍体:许多生物是二倍体，有两套基因组，六倍体有六套，基因组结构复杂。 ( *2)菊花连:更广泛的分类群，包括栽培菊苣菊所属的菊花属。 包括艾蒿除虫菊、春菊等。 ( *3)逆转录酶:所谓运动的基因(转座子)的一种。 由于逆转录酶在染色体上运动时，原始拷贝也会维持，所以每次转移时拷贝数都会增加。 因此，大基因组大小的生物大多存在大量拷贝。 ( *4)自身不亲和性:使自身的花粉雌蕊也不发生受精，不形成种子的结构。 ( *5)杂合性:一个个体内的同一基因有不同类型(碱基序列)的倾向。 二倍体具有两个相同的基因，但一般来说碱基序列不一定相同。 另一方面，纯系中所有的基因都具有相同的碱基序列。 ( *6) HiSeq :是大量解读短读取序列(短碱基序列)的新一代可编程控制器的一种。 ( *7) PacBio sequel :是可以解读长序列(长碱基序列)的新一代可编程控制器的一种。 ( *8) Hi-C法:染色体高级结构的解析法。 对碱基序列片段排序也很有用的解析法。 ( *9)绘制序列:作为碱基序列复盖了全部基因组的大部分，但保持短片段序列，在染色体水平上没有连接在一起。 ( *10 ) CsFL :花发生的主控因素LEAFY在菊苣中的反作用部分。 ( *11 )头状花序:由小花聚集而成的，像一朵大花的结构。 菊科有特色的花序形态。