分相パンゲノムを活用したハイブリッドジャガイモのハプロタイプ設計

学術的背景

ジャガイモ（Solanum tuberosum L.）は、世界で最も重要な塊茎作物の一つであり、毎年120以上の国々で13億人以上の人々に食料を提供しています。しかし、ジャガイモの四倍体ゲノムとクローン繁殖の方法により、その育種の進展は遅く、従来の育種方法では有益な形質を迅速に蓄積することが困難です。ジャガイモの改良を加速するために、科学者たちは二倍体自殖系に基づく種子繁殖ハイブリッドシステムを提案しています。しかし、二倍体自殖系の開発は、多数の有害な変異によって妨げられており、これらの有害変異の存在はジャガイモの成長と全体的な適応性に深刻な影響を与えています。したがって、これらの有害変異の本質を理解し、それらを除去する方法を見つけることが、現在のハイブリッドジャガイモ研究の焦点となっています。

さらに、これまでに発表されたほとんどの二倍体ジャガイモゲノムはフェーズ分けされていないため、ハプロタイプの多様性とヘテロ接合性に関する重要な情報が隠されています。この課題を克服するために、研究者たちはフェーズ分けされたジャガイモのパンゲノムマップを開発し、ジャガイモゲノムの構造変異（Structural Variants, SVs）とハプロタイプの多様性を明らかにし、将来のジャガイモ育種に理論的なサポートを提供することを目指しています。

論文の出典

この論文は、Lin Cheng、Nan Wang、Zhigui Baoら、中国農業科学院深圳農業ゲノム研究所、ベルギー・リエージュ大学、ドイツ・マックスプランク生物学研究所など、複数の機関の科学者たちによって共同で執筆されました。論文は2024年12月2日にNature誌にオンライン掲載され、タイトルは「Leveraging a phased pangenome for haplotype design of hybrid potato」です。

研究のプロセスと結果

1. フェーズ分けパンゲノムの構築

研究者たちはまず、10の野生種と19の栽培種を含む31の二倍体ジャガイモ品種を選択し、60のハプロタイプのゲノム配列を生成しました。PacBio HiFiシーケンシングとHi-C技術を使用して、これらの品種の高精度なゲノムアセンブリを行いました。各ハプロタイプのゲノムサイズは平均811 Mbで、contig N50は12.25 Mbでした。Hi-Cデータを使用して、ハプロタイプを疑似染色体にアセンブルし、アンカー率は95.17%に達しました。

ジャガイモのパンゲノムマップを構築するために、研究者たちはPangenome Graph Builder (PGGb)とminigraph-cactusの2つの方法を使用しました。最終的に、60のハプロタイプを含むパンゲノムマップ（PPG-v.1.0）を構築し、このマップは248.64百万のノードと345.61百万のエッジを含み、総配列長は3,076 Mbでした。線形リファレンスゲノムと比較して、パンゲノムマップはジャガイモゲノムの多様性をよりよく捉えることができました。

2. 構造変異の起源と動態

研究者たちはさらに、ジャガイモゲノム中の構造変異（SVs）を分析し、90.6%のSVsが転移因子（Transposable Elements, TEs）に関連していることを発見しました。特に、長末端反復レトロトランスポゾン（LTR/Gypsy）が媒介するSVsは、他のタイプのTEsよりも顕著に多かったです。研究者たちはまた、TEsが相同組換えを介して構造変異（TE-mediated rearrangements, TEMRs）を引き起こすことがジャガイモゲノム中で広く存在していることを発見し、特に栽培種でその傾向が強いことを明らかにしました。

野生種と栽培種のゲノムを比較することで、研究者たちは栽培種のヘテロ接合性が野生種よりも顕著に高いこと（14.0% vs. 9.5%）を発見し、これはジャガイモの家畜化過程で広範な交雑が起こったことを示唆しています。さらに、研究者たちは栽培種中に多数のハプロタイプ特異的な逆位（haplotype-specific inversions）が存在することを発見し、これらの逆位はジャガイモの塊茎形成と成長に関連している可能性があります。

3. 有害な構造変異の同定と除去

研究者たちは19,625の潜在的に有害な構造変異（Deleterious Structural Variants, DSVs）を同定し、これらのDSVsがジャガイモゲノム中でヘテロ接合状態で存在する傾向があることを発見しました。特に栽培種では、97%のDSVsがヘテロ接合状態であり、これはこれらの有害変異が家畜化過程で「保護」され、負の選択を回避したことを示しています。

これらの有害変異を除去するために、研究者たちはパンゲノムマップに基づく計算設計手法を開発し、理想的なジャガイモハプロタイプ（Ideal Potato Haplotypes, IPHs）を設計することを目指しました。組換えイベントをシミュレートすることで、研究者たちは2つの理想的なハプロタイプの組み合わせ（IPHs-AとIPHs-E）を設計することに成功し、これらの組み合わせでは有害変異が大幅に減少し、将来のジャガイモ育種に重要な参考資料を提供しました。

4. 「壊れた窓効果」と有害変異の蓄積

研究者たちはまた、DSVsがジャガイモゲノム中でクラスター状に分布する傾向があることを発見し、この現象を「壊れた窓効果」（Broken-Window Effect）と呼びました。具体的には、DSVsの周囲の有害な一塩基多型（Deleterious Single Nucleotide Polymorphisms, DSNPs）が、カップリング相（coupling phase）でリペルジョン相（repulsion phase）よりも顕著に多いことがわかりました。この効果は、DSVsが周辺領域の組換え率を低下させるため、有害変異が局所的に蓄積する可能性があることを示唆しています。

結論と意義

この研究は、フェーズ分けされたジャガイモのパンゲノムマップを構築することで、ジャガイモゲノム中の構造変異とハプロタイプの多様性、特に栽培種中に広く存在するヘテロ接合性と有害変異を明らかにしました。研究者たちはまた、計算設計手法を開発し、理想的なジャガイモハプロタイプを設計することに成功し、将来のハイブリッドジャガイモ育種に重要なツールを提供しました。

この研究の科学的価値は、ジャガイモゲノムの構造変異と進化的動態を明らかにしただけでなく、他のクローン繁殖作物のゲノム研究と育種に新しい視点を提供した点にあります。さらに、研究で提唱された「壊れた窓効果」は、有害変異がゲノム中に蓄積するメカニズムを理解するための新しい視点を提供しました。

研究のハイライト

1. フェーズ分けパンゲノムマップの構築：研究者たちは初めて60のハプロタイプを含むジャガイモのパンゲノムマップを構築し、ジャガイモゲノムの多様性と構造変異を理解するための重要なリソースを提供しました。
2. 構造変異の起源と動態：研究は、TEsがジャガイモゲノムの構造変異において重要な役割を果たしていることを明らかにし、特にLTR/Gypsyが媒介するSVsが栽培種中に広く存在することを示しました。
3. 有害変異の同定と除去：研究者たちは多数の有害な構造変異を同定し、計算設計手法を通じてこれらの変異を減少させることに成功し、ジャガイモ育種に新しいツールを提供しました。
4. 「壊れた窓効果」の発見：研究は初めて、DSVsがゲノム中に「壊れた窓効果」を引き起こすことを提唱し、有害変異の蓄積メカニズムを理解するための新しい理論的サポートを提供しました。

この研究は、ジャガイモ育種に重要な理論的サポートを提供するだけでなく、他の作物のゲノム研究と育種に新しいアプローチと方法を提供しました。