Tsugama Laboratory 
— For Genomics of Plant Resources
植物資源ゲノミクス研究室 (津釜研)   (C) 2019 Daisuke Tsugama

Pearl millet (Pennisetum glaucum) is a cereal crop that is used for chapati (Indian bread) and porridge. Pearl millet is one of the most drought-tolerant and heat-tolerant crops in the world, and is produced as staple food in semi-arid regions in India and Africa. Its whole genome sequence (~1.8 Gb) was published in 2017 by International Crops Research Institute for Semi-Arid Tropics (ICRISAT), an international research institute in India, and its collaborators (Varshney et al., 2017).

GWAS data

With ICRISAT collaborators

We have been collaborating with ICRISAT to better characterize pearl millet genes. Previously we compared transcriptomes and metabolomes between a drought-tolerant pearl millet cultivar, a drought-sensitive cultivar, a salt-tolerant cultivar and a salt-sensitive cultivar (Dudhate et al., 2018; Shinde et al., 2018), and isolated a gene that can increase salt tolerance of plants (Shinde et al., 2019). Using next-generation sequencing (NGS) data and genome-wide association study (GWAS), we also identified some candidates for genes regulating pearl millet agronomic traits such as yields and flowering time (unpublished data). We will further examine the effects of these genes on pearl millet growth and try to use them for improving performance of pearl millet and other crops.

ICRISAT has many resources for other crops such as chickpea (Cicer arietinum) and barnyard millet (Echinochloa esculenta). We may also examine these crops with ICRISAT.

トウジンビエ (pearl millet, Pennisetum glaucum) は、チャパティ (インド式のパン) やお粥に用いられる穀物です。トウジンビエは全世界の作物の中でも最強レベルの耐乾性と耐暑性を持ち、インドやアフリカの半乾燥熱帯地域においては主食として生産されています。インドの国際研究機関である国際半乾燥熱帯作物研究所 (International Crops Research Institute for Semi-Arid Tropics, ICRISAT) とその共同研究者らにより、2017年にその全ゲノム配列 (約1.8 Gb) が解読・公開されました (Varshney et al., 2017)。

GWASデータ

ICRISATの共同研究者と共に

私たちはICRISATと共同研究を行い、トウジンビエの遺伝子の特徴づけを進めています。先行研究においては、耐乾性の強い品種、弱い品種、耐塩性の強い品種、弱い品種の代謝産物と転写産物を網羅的に解析し (Dudhate et al., 2018; Shinde et al., 2018)、耐塩性を向上させることができる遺伝子を単離しました (Shinde et al., 2019)。次世代シーケンシング (NGS) のデータとゲノムワイド関連解析 (genome-wide association study, GWAS) により、開花までの日数や収量などの農業形質に関わる遺伝子を見出すことにも成功しています (unpublished data)。これらのトウジンビエ遺伝子の効果を今後更に検証し、トウジンビエや他の作物種の成育や収量などを向上させることを目指しています。

ICRISATは、ヒヨコマメ (chickpea, Cicer arietinum) やヒエ (barnyard millet, Echinochloa esculenta) など他の作物種に関しても多くの情報と材料を有しています。私たちは、それらの作物種に関してもICRISATと共同で研究を進めていきたいと考えています。

Sex of garden asparagus

CultivarsCVs with different color

Garden asparagus (Asparagus officinalis) is a perennial, dioecious crop. Garden asparagus individuals grow either female or male flowers. Male asparagus plants do not develop seeds, but female do develop seeds, which raise offsprings and trouble farming. Some male plants can raise only male progenies when crossed, and such male plants are called supermale. Supermale plants are useful for production of all-male seeds.

The garden asparagus dioecy or sex is determined by a few genes. with the help of previous NGS data (Harkess et al., 2015), we and another research group identified a transcription factor gene, MYB35, as a candidate for the sex-determining genes (Murase et al., 2017; Tsugama et al., 2017, please compare submission dates). We have been further examining functions of MYB35. We will also analyze a hermaphroditic individual, which is likely to have resulted from a mutation in a male individual, to identify other sex-determining genes, and to better understand the garden asparagus sex.

We also found a cultivar that hardly accumulates purple substances (i.e., anthocyanins). We have identified a gene that is likely responsible for this trait, and been characterizing this gene more closely (unpublished data).

食用アスパラガスの雌雄性

色合いの異なる品種

食用アスパラガス (Asparagus officinalis) は多年生で雌雄異株性を持つ作物です。食用アスパラガスの個体は雌花と雄花のいずれか一方のみを着けます。食用アスパラガスの雄株は種子を着けませんが、雌株は種子を発達させます。種子が落ちると発芽して若い植物体が生じますが、これは生産管理上不都合であり、食用アスパラガスの露地栽培には雄株が好まれます。交配後代に全て雄株を生じさせる雄株が存在し、これは超雄性株と呼ばれます。超雄性株は全雄種子生産の材料として有用です。

食用アスパラガスの雌雄異株性 (すなわち性) は少数の遺伝子により決定されます。先行研究で得られたNGSデータ (Harkess et al., 2015) から、私たちと他の研究グループは、食用アスパラガスの性決定遺伝子の候補としてMYB35という転写因子遺伝子を見出しました (Murase et al., 2017; Tsugama et al., 2017, 投稿日をご覧ください)。私たちはMYB35の機能に関して更なる解析を進めています。また、私たちは両性花着生株 (ある種の変異が雄株において生じたことで得られたと考えられるもの) を有しており、これを特徴づけることにより、新規の性決定遺伝子の候補を得ると共に、食用アスパラガスの性決定のメカニズムに関して更なる知見を得たいと考えています。

私たちは、紫色物質 (アントシアニン) を蓄積させにくい品種を見出し、そのような色の差異を生み出す遺伝子の候補を特定することにも成功しています。この遺伝子の更なる特徴づけも進めています (unpublished data)。

Transient nuclear
accumulation of VIP1

Regulators of VIP1
and its homologs

Arabidopsis thaliana is a model plant with ~150-Mb genome, and is very usefu to characterize plant gene functions. Previously we found that VIP1, an Arabidopsis transcription factor, transiently accumulates in the nucleus when cells have perceived hypo-osmotic or mechanical stimuli (Tsugama et al., 2012, 2016a). When the function of VIP1 is disturbed by the VIP1-SRDX chimeric protein, root growth becomes significantly wavy, probably as a result of enhanced touch-induced root curling (Tsugama et al., 2016b). We also found that calcium-mediated signaling and phosphorylation are involved in regulating functions of VIP1 (Tsugama et al., 2018, 2019).

Six close VIP1 homologs are expressed well in Arabidopsis, and these are functionally redundant with VIP1 (Tsugama et al., 2014). Protein kinases and protein phosphatases that can regulate the VIP1 phosphorylation state are also likely encoded by multiple genes that have functional redundancy. We have been generating plants with these genes knocked out in order to evaluate their pysiological relevance.

VIP1の一過的な核内蓄積

VIP1とVIP1ホモログの制御因子

シロイヌナズナ (Arabidopsis thaliana) は約150 Mbのゲノムを持つモデル植物であり、植物遺伝子の機能の解析のための材料として非常に有用です。私たちは過去に、シロイヌナズナの細胞が低浸透圧ストレスや物理的なストレスを受けた際にVIP1という転写因子が一過的に細胞核に蓄積することを見出しました (Tsugama et al., 2012, 2016a)。VIP1-SRDXというキメラタンパク質によりVIP1の機能を攪乱すると、根は大きく波打って成長する（下方向に伸びにくくなる）ようになります。これは、物体に接触した際の根の屈曲が増強されることによると考えています (Tsugama et al., 2016b)。カルシウムを介した信号伝達とリン酸化がVIP1の機能の制御に重要であることも私たちは見出しています (Tsugama et al., 2018, 2019)。

VIP1に加えて6個のVIP1ホモログがシロイヌナズナにおいて発現しており、それらはVIP1と冗長な機能を有しています (Tsugama et al., 2014)。VIP1のリン酸化状態を制御するタンパク質キナーゼとタンパク質ホスファターゼもまた、機能的冗長性を持つ複数の遺伝子によってコードされていると考えられます。私たちは、それらの遺伝子の生理的な意義を評価するため、それらの幾つかを欠損する植物材料を作出しています。

Induced organ expansion
in Brassica rapa

• Identification of genes involved in organ expansion and subspecies differentiation in Brassica rapa
• Characterization of various Chenopodium species
• Identification of factors involved in taproot formation in radish (Raphanus sativus)
• Identification of genes regulating ease in dehulling in Tartary buckwheat (Fagopyrum tataricum)

Brassica rapaの器官肥大誘導系

• Brassica rapaの器官肥大と亜種分化に関わる遺伝子の同定
• アカザ属 (Chenopodium) 植物種の特徴づけ
• ダイコン (Raphanus sativus) の肥大根形成に関わる因子の同定
• ダッタンソバの果皮の剥けやすさを制御する遺伝子の同定 (Fagopyrum tataricum)