JP2020521444A - Madsボックス遺伝子における突然変異及びその使用 - Google Patents

Madsボックス遺伝子における突然変異及びその使用 Download PDF

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Abstract

本開示の態様は、突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)、突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)、及び突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)のうちの1つ以上を含有するナス科(Solanaceae)植物などの植物、並びにこのような植物を産生する方法に関する。ある態様において、このような植物は、改良された花序構造、改良された花数、改良された果実数、より高い収量、より高品質の産物、及びより高い果実生産力などの1つ以上の改良された形質を有する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2017年5月17日に出願された米国仮特許出願第62/507,369号の出願日の利益を主張するものである。この参照される出願の全内容は、参照により本明細書に援用される。
政府支援
本出願は、アメリカ国立科学財団(National Science Foundation)によって与えられたIOS−1523423及びIOS−1237880の下での政府支援を受けてなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
植物生殖シュート系(花序)の構造は、作物収量の主要な決定因子であり、花序の複雑性の改良は、作物の栽培化及び改良の際の繰り返し発生する目標であった(Doebley et al.,2006;Meyer and Purugganan,2013)。顕著な例としては、穀物のオオムギ、トウモロコシ、コメ及びコムギが挙げられ、これらに対して、人は、花及び穀物生産を増加させるために、より多い分枝を有する変異型を選択した(Ashikari et al.,2005;Boden et al.,2015;Doebley et al.,1997;Huang et al.,2009;Jiao et al.,2010;Komatsuda et al.,2007;Ramsay et al.,2011)。しかしながら、多くの作物、特に、ブドウ及びトマトなどの実を付ける種については、花序構造は、野生原種からほとんど変化していないため、育種に十分に活用されていない(Lippman et al.,2008;Mullins et al.,1992;Peralta and Spooner,2005)。
本開示の一態様は、収量関連形質などの好ましい形質を有する、植物の新規な遺伝的変異体などの組成物、及びこの組成物を産生するための方法に関する。ある態様において、新規な遺伝的変異体における突然変異の組合せが、花序及び果実生産を増加させる。他の態様において、遺伝的変異体の遺伝子の1つ以上における突然変異を用いて、より高い花及び果実生産をもたらす弱分枝の遺伝的変異体の発生など、ある定量範囲の花序タイプを産生することができる。
ある態様において、本開示は、突然変異体Solyc04g005320遺伝子又はそのホモログを含む遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物(例えば、トマト植物)を提供する。ある実施形態において、突然変異体Solyc04g005320遺伝子又はそのホモログは、ヌル対立遺伝子又は低次形態対立遺伝子である。ある実施形態において、遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物(例えば、トマト植物)は、突然変異体Solyc04g005320遺伝子又はそのホモログに対してヘテロ接合型又はホモ接合型である。
ある実施形態において、遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物(例えば、トマト植物)は、突然変異体Solyc12g038510遺伝子若しくはそのホモログ、突然変異体Solyc03g114840遺伝子若しくはそのホモログ、又は突然変異体Solyc12g038510遺伝子若しくはそのホモログ及び突然変異体Solyc03g114840遺伝子若しくはそのホモログの両方をさらに含む。
ある実施形態において、遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物(例えば、トマト植物)は、突然変異体Solyc12g038510遺伝子又はそのホモログをさらに含み、突然変異体Solyc12g038510遺伝子又はそのホモログは、ヌル対立遺伝子又は低次形態対立遺伝子である。ある実施形態において、遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物は、突然変異体Solyc12g038510遺伝子又はそのホモログに対してヘテロ接合型又はホモ接合型である。
ある実施形態において、遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物(例えば、トマト植物)は、突然変異体Solyc03g114840遺伝子又はそのホモログをさらに含み、突然変異体Solyc03g114840遺伝子又はそのホモログは、ヌル対立遺伝子又は低次形態対立遺伝子である。ある実施形態において、遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物は、突然変異体Solyc03g114840遺伝子又はそのホモログに対してヘテロ接合型又はホモ接合型である。
ある実施形態において、遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物(例えば、トマト植物)は、突然変異体Solyc12g038510遺伝子又はそのホモログ及び突然変異体Solyc03g114840遺伝子又はそのホモログの両方をさらに含み、これらのそれぞれが、独立して、ヌル対立遺伝子又は低次形態対立遺伝子である。ある実施形態において、遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物は、突然変異体Solyc12g038510遺伝子又はそのホモログに対してヘテロ接合型又はホモ接合型であり、突然変異体Solyc03g114840遺伝子又はそのホモログに対してヘテロ接合型又はホモ接合型である。
ある実施形態において、遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物(例えば、トマト植物)は、突然変異体Solyc04g005320遺伝子又はそのホモログ、突然変異体Solyc12g038510遺伝子又はそのホモログ、及び突然変異体Solyc03g114840遺伝子又はそのホモログを含み、それぞれが、低次形態対立遺伝子である。ある実施形態において、遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物(例えば、トマト植物)は、突然変異体Solyc04g005320遺伝子又はそのホモログに対してヘテロ接合型又はホモ接合型であり、突然変異体Solyc03g114840遺伝子又はそのホモログに対してヘテロ接合型又はホモ接合型であり、突然変異体Solyc03g114840遺伝子又はそのホモログに対してヘテロ接合型又はホモ接合型である。
ある実施形態において、突然変異体Solyc04g005320遺伝子又はそのホモログは、高次形態対立遺伝子である。ある実施形態において、遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物(例えば、トマト植物)は、突然変異体Solyc04g005320遺伝子又はそのホモログに対してヘテロ接合型又はホモ接合型である。
ある実施形態において、遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物(例えば、トマト植物)は、突然変異体Solyc12g038510遺伝子若しくはそのホモログ、突然変異体Solyc03g114840遺伝子若しくはそのホモログ、又は突然変異体Solyc12g038510遺伝子又はそのホモログ及び突然変異体Solyc03g114840遺伝子若しくはそのホモログの両方をさらに含む。
他の態様において、本開示は、突然変異体Solyc12g038510遺伝子又はそのホモログ及び突然変異体Solyc03g114840遺伝子又はそのホモログを含む遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物(例えば、トマト植物)であって、遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物が、突然変異体Solyc12g038510遺伝子又はそのホモログに対してホモ接合型であり、突然変異体Solyc03g114840遺伝子又はそのホモログに対してヘテロ接合型である、遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物を提供する。ある実施形態において、突然変異体Solyc12g038510遺伝子又はそのホモログは、ヌル対立遺伝子又は低次形態対立遺伝子であり、突然変異体Solyc03g114840遺伝子又はそのホモログは、ヌル対立遺伝子又は低次形態対立遺伝子である。
本明細書において提供される遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物(例えば、トマト植物)のいずれか1つのある実施形態において、突然変異体Solyc04g005320遺伝子若しくはそのホモログ、突然変異体Solyc12g038510遺伝子若しくはそのホモログ、及び/又は突然変異体Solyc03g114840遺伝子若しくはそのホモログは、技術的手段によって導入される。本明細書において提供される遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物(例えば、トマト植物)のいずれか1つのある実施形態において、突然変異体Solyc04g005320遺伝子若しくはそのホモログ、突然変異体Solyc12g038510遺伝子若しくはそのホモログ、及び/又は突然変異体Solyc03g114840遺伝子若しくはそのホモログは、化学的又は物理的手段によって導入される。本明細書において提供される遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物(例えば、トマト植物)のいずれか1つのある実施形態において、突然変異体Solyc04g005320遺伝子若しくはそのホモログ、突然変異体Solyc12g038510遺伝子若しくはそのホモログ、及び/又は突然変異体Solyc03g114840遺伝子若しくはそのホモログは、CRISPR/Cas9、化学的突然変異生成、放射線、アグロバクテリウム(Agrobacterium)媒介組み換え、ウイルスベクター媒介組み換え、又はトランスポゾン突然変異生成を用いて導入される。本明細書において提供される遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物(例えば、トマト植物)のいずれか1つのある実施形態において、植物には、本質的に生物学的な方法のみによって得られた植物が除外されるという条件が付される。
他の態様において、本開示は、上記の実施形態又は本明細書に記載される任意の他の実施形態のいずれか1つの遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物(例えば、トマト植物)から収穫される作物を提供する。
さらに他の態様において、本開示は、上記の実施形態又は本明細書に記載される任意の他の実施形態のいずれか1つの遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物(例えば、トマト植物)を産生するための種子を提供する。
他の態様において、本開示は、遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物(例えば、トマト植物)を産生するための方法であって、突然変異を、ナス科(Solanaceae)植物中のSolyc04g005320遺伝子又はそのホモログに導入し、それによって、突然変異体Solyc04g005320遺伝子又はそのホモログを含有する遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物を産生することを含む、方法を提供する。ある実施形態において、突然変異は、CRISPR/Cas9を用いて導入される。ある実施形態において、突然変異は、Solyc04g005320遺伝子又はそのホモログのヌル対立遺伝子又は低次形態対立遺伝子を産生する。
本明細書において提供される方法のいずれか1つのある実施形態において、本方法は、Solyc12g038510遺伝子又はそのホモログへの突然変異をナス科(Solanaceae)植物に導入すること、突然変異をSolyc03g114840遺伝子又はそのホモログに導入すること、又は突然変異をSolyc12g038510遺伝子又はそのホモログに導入し、かつ突然変異をSolyc03g114840遺伝子又はそのホモログに導入することをさらに含む。ある実施形態において、突然変異は、CRISPR/Cas9を用いて導入される。
本明細書において提供される方法のいずれか1つのある実施形態において、突然変異体Solyc04g005320遺伝子若しくはそのホモログを含有する遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物(例えば、トマト植物)は、突然変異体Solyc12g038510遺伝子若しくはそのホモログ、突然変異体Solyc03g114840遺伝子若しくはそのホモログ、又は突然変異体Solyc12g038510遺伝子若しくはそのホモログ及び突然変異体Solyc03g114840遺伝子若しくはそのホモログの両方を含む別の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物(例えば、トマト植物)と交配され、それによって、突然変異体Solyc04g005320遺伝子若しくはそのホモログ及び突然変異体Solyc12g038510遺伝子若しくはそのホモログ、突然変異体Solyc03g114840遺伝子若しくはそのホモログ、又は突然変異体Solyc12g038510遺伝子若しくはそのホモログ及び突然変異体Solyc03g114840遺伝子若しくはそのホモログの両方を含有する遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物(例えば、トマト植物)を産生する。
他の態様において、本開示は、上記の実施形態又は本明細書に記載される任意の他の実施形態のいずれか1つの方法によって産生される又は得られる遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物(例えば、トマト植物)を提供する。
以下の図面は、本明細書の一部を成し、本明細書に示される特定の実施形態の詳細な説明と組み合わせてこれらの図面の1つ以上を参照することによってより十分に理解され得る本開示の特定の態様をさらに説明するために含まれる。図面に示されるデータが本開示の範囲を決して限定するものではないことが理解されるべきである。
***組織成熟の遅延によるs2花序構造変異分枝を示す。図1Aは、非分枝の、多花性の花序及び節のある小花柄(挿入図中の点線のアスタリスク)を有する典型的な野生型(WT)トマト植物を示す。図1A〜1Cの数値は、花序当たりの花を示す(平均±SEM、N=花序の数)。縞模様の矢印は、連続花序を示す。P:WTと比較した両側2標本t検定。図1Bは、s突然変異体の高度に分枝した花序及び節のある小花柄を示す。白色の矢印は、分枝点を示す。図1Cは、中程度に分枝した花序及び節なしの小花柄(アスタリスク)を有するs2突然変異体を示す。図1Dは、WT、s、及びs2における花序分枝事象の定量を示す。図1Eは、WT×s2 F2集団における表現型クラスを示す。節なしの小花柄表現型及び分枝した花序表現型(s2)の分離比が示される。アスタリスクは、節なしの小花柄を示す。図1A〜1C及び1E中のスケールバー=1cm。図1F〜1Hは、WT(図1F)、s(図1G)、及びs2(図1H)からの転換期(transition)***組織(TM)、仮軸花序***組織(SIM)、及び花芽***組織(FM)を示す。図1F〜1H中のスケールバーは、100μmを表す。L、葉。F、花。概略図は、成長中の花序を示す。線、節間;丸、FM/花;矢印、SIM。過剰に増殖している枝が、太線で示される。図1Iは、RNA−seqによって決定される、WT、s、及びs2の栄養期***組織(VM)、TM、SIM、及びFMにおける2,582の動的に発現された遺伝子のPCAを示す。図1J〜1Kは、WT及び突然変異体(s及びs2)の***組織成熟の栄養期(VM)***組織、TM及びFM段階におけるTM(図1J)及びFM(図1K)マーカー遺伝子の発現(zスコア正規化された)を示す。中程度に(左)及び強く(右)遅延した発現パターンを有する遺伝子のクラスターが示される。破線は、5番目及び95番目の分位点を表す点で塗られた領域の中央発現を示す。 2つのSEPALLATA MADSボックス遺伝子における突然変異が、s2分枝を引き起こすことを示す。図2Aは、s2のシーケンシングによるマッピングを示す。分離表現型クラス(上:s2/WT;真ん中:s2/j2;下:j2/WT)の異なるプール間のSNP比(s2/M82)の比率が、3及び12番染色体について示される。図2Bは、j2マッピング間隔が、SEP4ホモログSolyc12g038510を含むことを示す。図2Cは、Solyc12g038510における切断点を示すGenomic Illumina−配列リード(左)、及びs2突然変異体におけるSolyc12g038510の第1イントロンにおけるCopia/Riderトランスポゾン挿入を示すPCR(右)を示す。配列は、配列番号89に対応する。図2Dは、WT(上)及びs2(下)花芽***組織におけるSolyc12g038510についての正規化されたRNA−seqリード(100万当たりのリード、RPM)のSashimiプロットを示す。イントロン転写開始部位は、s2突然変異体におけるアウトオブフレームSolyc12g038510転写産物をもたらす。数値は、s2におけるスプライスジャンクション及び選択的スプライシングが、斜線の陰影によって下側パネルにおいて強調されることを裏付けるリードを示す。図2Eは、2つのシングルガイドRNA(sgRNA、標的1及び標的2;矢印)を用いたCRISPR/Cas9によるj2CRヌル突然変異の発生を示す。黒色の矢印は、遺伝子型決定及びシーケンシングに使用されるフォワード(F)及びリバース(R)プライマーを示す。j2CR対立遺伝子1(a1)及びa2の配列が示される。sgRNA標的及びプロトスペーサー隣接モチーフ(PAM)が太字体で示され、欠失がダッシュ記号で示される。挿入がイタリック体で示され、配列ギャップ長さが括弧内に示される。上から下に、配列は、配列番号90〜92に対応する。図2Fは、WT及びj2CR突然変異体からの花序及び果実を示し、j2CRについて節なしの小花柄を有する非分枝の花序を示す。白色及び点線のアスタリスクは、それぞれ節のある及び節なしの小花柄を示す。図2Gは、j2CR及びj2TE(節なしの小花柄;アスタリスク)の間の相補性検定を示す。図2Hは、ej2マッピング間隔が、SEP4ホモログSolyc03g114840を含むことを示す。図2Iは、Solyc03g114840における切断点を示すGenomic Illumina−配列リード及びs2突然変異体におけるSolyc03g114840の第5イントロンにおける564bpの挿入を示すPCRを示す。配列は、配列番号93に対応する。図2Jは、s2突然変異体における部分的なエクソンスキッピング及びイントロンリテンションを示すWT及びs2花芽***組織におけるSolyc03g114840 RNA−seqリードについてのSashimiプロットを示す。図2Kは、CRISPR/Cas9によるej2CRヌル突然変異の発生を示す。上から下に、配列は、配列番号94〜97に対応する。図2Lは、極めて長い萼片(矢印)を有する非分枝のej2CR突然変異花序及び洋ナシ型の果実を示す。スケールバー=1cm。図2Mは、弱い天然ej2対立遺伝子が、より長い萼片を生じ、ej2CRを補完できないことを示す閉じた花を示す。図2Nは、図2M中の遺伝子型についての相対萼片長さの定量(萼片長さ/花弁長さ±SEM、N=花の数)を示す。P:WTと比較した両側2標本t検定。 ej2変異型が栽培化中に生じ、それを、大きい実のなる栽培品種の育種中に選択したことを示す。図3Aは、野生トマト種、初期栽培品種(early domesticate)(ランドレース種、S.lyc.変種セラシフォルメ(cerasiforme))、及び栽培品種(S.リコペルシカム(S.lycopersicum))(N=系統番号)におけるej2対立遺伝子の分布を示す。図3Bは、図3A中の系統のサブセットであるホモ接合型EJ2及びej2からの相対萼片長さ(萼片長さ/花弁長さ)を示す。図3Cは、確認されたランドレース種のサブセットにおける相対萼片長さを示す(Blanca et al.,2015)。図3Dは、最も長い及び最も短い萼片を有する10のランドレース種におけるej2対立遺伝子についてのPCR遺伝子型決定を示す。S.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)(S.pim)を、WT対照として使用した。図3Eは、最も短い及び最も長い萼片を有する系統の花序及び花(挿入図)を示す。図3D中のアスタリスクを参照されたい。数値は、相対萼片長さを示す。図3Fは、258の栽培品種におけるPCR遺伝子型決定が、大きい実のなるタイプにおけるej2対立遺伝子の富化を示すことを示す。図3B、3C、及び3E中のデータは、平均(±SEM、n=系統当たり10個の花)である。N=系統番号。P:両側2標本t検定。スケールバー=1cm。 育種家が、エリート遺伝資源におけるs2分枝の抑制遺伝子を選択することによって、j2及びej2の間の負のエピスタシスを克服したことを示す。図4Aは、j2TE及びej2のための153のエリート育種系統のPCR遺伝子型決定が、節なしの遺伝資源がj2トランスポゾン対立遺伝子によって支配され、多くのj2TE ej2二重突然変異体を含有することを示す、ことを示す。系統番号が、括弧内に示される。図4Bは、ej2のための4つの主な種子会社からの31の節なしの近交系及び交配種のPCR遺伝子型決定を示す。アスタリスクは、j2TE ej2二重突然変異体を示す。図4Cは、S.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)×s2 F2集団から単離されたj2TE ej2二重突然変異体において見られる表現型クラスの代表的な画像を示す。Nは、植物の数を示し、各表現型クラスにおける植物のパーセンテージが、括弧内に示される。図4Dは、167の遺伝子を含有する2番染色体における3Mbpの間隔に対するs2の抑制遺伝子のシーケンシングによるマッピングを示す。s2及び抑制されたs2植物のプールからのDNAをシーケンシングし、SNP比(S.pim/s2)の比率(抑制されたs2/s2)が示される。 3つのSEP4遺伝子の間の重複性が、花序分枝及び花の発生を調節することを示す。図5Aは、シロイヌナズナ属(Arabidopsis)及びトマトにおけるSEPタンパク質の系統樹を示す。1000の複製のブートストラップ値(%)が示される。図5Bは、***組織成熟(VM、栄養期***組織;TM、転換期***組織;FM、花芽***組織;SIM、仮軸花序***組織;SYM、仮軸シュート***組織)中のTM5及びTM29(左)及びSEP4サブクレード(右)についての正規化された遺伝子発現(RPKM)を示す。図5Cは、Solyc04g005320、J2、及びEJ2についての異種相互作用、並びにSolyc04g005320及びJ2についての同種相互作用(3−AT、3−アミノ−1,2,4−トリアゾール;L、ロイシン;T、トリプトファン;H、ヒスチジン;e.v.、空のベクター)を示す酵母ツーハイブリッドアッセイを示す。図5Dは、図5C中の結果の概要;(−)相互作用なし;(+)相互作用;(++)強い相互作用を示す。図5Eは、WTと比較して、Solyc04g005320CR突然変異体のより長い花序(以後、長い花序CR;linCRと呼ばれる)を示す。数値は、花序当たりの花を示す(平均±SEM、N=10の花序)。P:両側2標本t検定。スケールバー=1cm。図5Fは、S.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)WTと比較して、S.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)(S.pim linCR)におけるSolyc04g005320CR突然変異体のより長い花序を示す。図5Gは、SIM過剰増殖と、成長後期に花がほとんどないことをそれぞれ示す、j2CR ej2CR二重突然変異体植物(左)及び花序(右)を示す。図5Hは、j2CR ej2CR linCR三重突然変異体を示す。広範囲のSIM過剰増殖と、花の終止期(floral termination)がないことを示す、j2CR ej2CR linCR三重突然変異体のステレオスコープ画像(挿入図)。図5Iは、広範囲のSIM過剰増殖と、花の終止期がないことを示す図5Hと同様に、S.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)におけるj2CR ej2CR linCR三重突然変異体を示す。縞模様の矢印は、連続花序を示す。スケールバーは、写真及びステレオスコープ画像についてそれぞれ、1cm及び1mmを表す。 花の生産及び果実の収量を改善するための、主な***組織成熟遺伝子の利用量効果を示す。図6Aは、M82における天然及び操作されたj2及びej2突然変異の様々な遺伝子型組合せからの代表的な花序を示す。赤色の矢印は、分枝事象を示す。図6Bは、示される遺伝子型について1〜5つ以上の分枝事象を有する花序のパーセンテージを示す。丸で囲まれた小文字は、図6Aに示される遺伝子型に一致する。弱分枝遺伝子型が、太字の黒丸で強調される。図6Cは、sclassic/+ヘテロ接合体の代表的な弱分枝花序を示す。図6Dは、sclassic/+、smultiflora/+、及びsn5568/+ヘテロ接合遺伝子型について分枝事象を有する花序のパーセンテージを示す。図6A及び6C中の白色の矢印は、花序分枝点を示す。Nは、花序の数(図6B及び6D)を示す。図6A及び6C中のスケールバーは、1cmを示す。 s2花序分枝変異型が、対立遺伝子であり、古典的なj2突然変異体を補完できず、sと遺伝子的に相加性であることを示す。図7A〜7Cは、系統LA0315(図7A)、LA3226(図7B)、及びX線誘発突然変異体frondea(図7C)(Stubbe,1972)が、節なしの小花柄(白色のアスタリスク)に花及び果実を付ける高度に増殖した花序を生じることを示す。図7D〜7Fは、LA0315(図7D)、LA3226(図7E)、及び第1の花(F1)の基部に第1の花序分枝事象(白色の矢印)を示すfrondea(図7F)における一次***組織のステレオスコープ画像を示す。SYM:仮軸シュート***組織;L8:葉8。図7G〜7Iは、交配種LA0315×s2(図7G)、LA3226×s2(図7H)、及びfro×LA0315(図7I)からのF子孫の代表的な花序を示し、全ての4つの系統(突然変異体)が対立遺伝子であることを示している。図7A〜7C、7G〜7I、及び7D〜7F中のスケールバーはそれぞれ、5cm及び500μmを示す。図7Jは、s(左)、s2(真ん中)、及びs s2高次突然変異体(右)の花序を示す。s s2高次突然変異体におけるより高い花序複雑性は、相加性を示唆している。図7Kは、s2由来の節なし突然変異体植物及び古典的なj2突然変異体を用いた相補性検定を示す。WT植物の節のある果実(点線のアスタリスク)及びs2由来j2及びj2の交配種からのF子孫の節なしの果実(白色のアスタリスク)が示される。スケールバー=1cm。 s2突然変異体における***組織成熟の速度が、sにおける***組織成熟の速度より遅延していないことを示す。図8Aは、WTにおける***組織成熟の早期(EVM)、中期(MVM)、及び後期(LVM)栄養期***組織、転換期***組織(TM)及び花芽***組織(FM)段階中に動的に発現された2,582の遺伝子のクラスタリングを示す(STAR Methodsを参照)。クラスター06及びクラスター08(実線のボックス)中の遺伝子がそれぞれ、TM及びFMマーカー遺伝子として選択された。太い黒線は、5番目及び95番目の分位点を表す点で塗られた領域の中央発現を示す。N=遺伝子の数。図8B及び8Cは、栄養期(VM)、転換期(TM)、及び花芽(FM)***組織段階におけるTMマーカー遺伝子のWT、s(上)、及びs2(下)のzスコア正規化された発現を示す。点線のボックス及び実線のボックス中のクラスターがそれぞれ、中程度に及び強く遅延された遺伝子として選択された。 シーケンシングによるマッピングが、s2分枝がSEPALLATA MADSボックス遺伝子の2つのトマトホモログ(J2及びEJ2)における突然変異によって引き起こされることを示すことを示す。図9A及び9Bは、M82×s2 F(図9A)及びS.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)×s2 F集団(図9B)に見られる表現型クラスの代表的な画像を示す。アスタリスクは、節なしの小花柄を示し、矢印は、花序分枝事象を示す。スケールバー=1cm。図9Cは、2つのF集団におけるs2分枝表現型の分離比を示す。M82×s2 F、j2及びs2表現型がそれぞれ、1/4及び1/16分離したことに留意されたい。図9Dは、M82×s2 F集団におけるs2の根底にある遺伝子座のシーケンシングによるマッピングを示す。WT、j2及びs2植物からのプールされたDNAを、シーケンシングし、異なる表現型クラス(上:s2/WT;真ん中:s2/j2;下:節なし/WT)間のSNP比(s2/M82)の比率が示される。図9Eは、S.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)×s2 F集団におけるs2の根底にある遺伝子座のシーケンシングによるマッピングを示す。WT、j2、及びs2植物からのプールされたDNAを、シーケンシングし、SNP比(S.lyc/S.pim)の比率が図9Dと同様に示される。図9Fは、M82、節なしのS.チースマニアエ(S.cheesmaniae)(S.che)系統LA0166、古典的なj2系統(LA0315)及びs2系統(LA4371)からのJ2(Solyc12g038510)の部分配列アライメントを示す。第2エクソンにおけるS.チースマニアエ(S.cheesmaniae)SNPは、未成熟終止コドン(アスタリスク)をもたらす。対立遺伝子は、j2stopと示される。上から下に、配列は、配列番号98、98、99、100、及び101に対応する。図9Gは、図9Fからの系統におけるj2stopついてのCAPSマーカーPCR遺伝子型決定アッセイを示す。WT及び突然変異体(mut)バンドの位置が示される。図9Hは、j2TEにおけるCopia/Rider転位因子(TE)挿入及びj2stopにおけるS.チースマニアエ(S.cheesmaniae)SNPの位置を示す遺伝子モデルを示す。予測されるRNA転写産物が以下に示される。j2stop対立遺伝子は、第2エクソンにおける未成熟終止コドンをもたらす。j2TE対立遺伝子は、イントロン転写開始部位及び早期の終止コドンをもたらす。図9Iは、WT、ej2、ej2CR、及びej2CR×ej2子孫の代表的な花序を示す。スケールバー=1cm。図9Jは、j2TE、j2stop、及びej2のための診断PCRマーカーを用いたs2、LA0315、LA3226、frondea(fro)、及びWT植物の遺伝子型決定を示す。s2及びLA3226が両方ともj2TE及びej2対立遺伝子を保有する一方、LA0315がj2stop及びej2を保有することが留意されたい。frondea突然変異体は、ej2を保有するが、両方のj2マーカーを用いたfrondeaにおけるJ2増幅の失敗は、大きい構造変異体が遺伝子(SV)を破壊したことを示唆している。バンドサイズは、キロ塩基対(kbp)単位である。 3つのSEP4遺伝子J2、EJ2及びSolyc04g005320/LINが相互作用して、分枝及び花の発生を調節することを示す。図10Aは、主要組織におけるTM5及びTM29(左)及びSEP4サブクレード(右)についての正規化された遺伝子発現(RPKM)を示す。図10Bは、Solyc04g005320、RIN、J2、及びEJ2の異種相互作用、並びにSolyc04g005320、RIN及びJ2の同種相互作用(3−AT、3−アミノ−1,2,4−トリアゾール;L、ロイシン;T、トリプトファン;H、ヒスチジン;A、アデニン;e.v.、空のベクター)を示す酵母ツーハイブリッドアッセイを示す。図10Cは、図10B中の結果の概要;(−)相互作用なし;(+)相互作用;(++)強い相互作用を示す。図10Dは、Solyc04g005320のCRISPR/Cas9標的化を示す。Solyc04g005320CR対立遺伝子1(a1)及びS.リコペルシカム(S.lycopersicum)cv.M82におけるa2の配列が示される(上)。3つの独立した第1世代(T)キメラS.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)トランスジェニックをシーケンシングし、植物当たり5つのリードが得られた(下)。全てのシーケンシングした対立遺伝子は、突然変異を保有し、これは、推定2対立遺伝子(T #4)、ホモ接合型(T #8)、及びキメラ(T #9)植物を示す。上から下に、配列は、配列番号102〜111に対応する。図10Eは、WT及び3つの独立したlinCRトランスジェニックについての、花序当たりの花の定量を示す。N=花序の数。図10Fは、図10Eと同じ植物の花間の節間長さの定量を示す。N=節間の数。図10Gは、細長い及び弱分枝花序を有する代表的なlin突然変異体を示す。白色の矢印は、分枝点を示す。挿入図は、節のある小花柄を有するlin果実を示す。図10Hは、WT及びlinについての、花序当たりの花の定量を示す。N=花序の数。図10Iは、WT及びlinにおける花序分枝事象の定量を示す。図10J及び10Kは、Solyc04g005320を含む80の遺伝子を含有する4番染色体における0.5Mbpのマッピング間隔に対する、lin×S.pim F集団におけるlin突然変異のシーケンシングによるマッピングを示す。4番染色体に対するリードマッピングは、Solyc04g005320における転位を示し、これを、PCRによってアッセイした(図10K)。図10J中の配列は、配列番号112に対応する。WT対立遺伝子(wt)を、転位部位に5’及び3’でそれぞれ結合するプライマー−F1及びプライマー−R2で増幅した。lin突然変異対立遺伝子(m)を、転位配列の3’ボーダーに結合するプライマー−F3、及びプライマー−R2で増幅した。図10Lは、lin突然変異体におけるSolyc04g005320転写産物の喪失を示す、WT及びlinにおけるSolyc04g005320の半定量的RT−PCRを示す。ユビキチン(UBI)を対照として使用した。図10Mは、細長い、弱分枝花序及び節なしの小花柄(白色のアスタリスク)を有するj2CR lin二重突然変異体を示す。白色の矢印は、分枝点を示す。図10Nは、長い花序、極めて大きくなった萼片、及び内部花器官の欠陥(挿入図)を有するej2CR lin二重突然変異体を示す。図10Oは、2つのシングルガイドRNA.sgRNAを用いたCRISPR/Cas9によるLIN、J2及びEJ2の同時標的化を示す。各それぞれの遺伝子モデルにおける標的1及び標的2が示される。sgRNA−1が全ての3つの遺伝子を標的にすることに留意されたい。黒色の矢印は、PCR遺伝子型決定及びシーケンシング(STAR Methodsを参照)に使用されるフォワード(F)及びリバース(R)プライマーを示す。M82(上)及びS.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)(下)において産生される第2世代(T)トランスジェニックj2CR ej2CR linCR三重突然変異体植物のシーケンシング結果。全ての3つの遺伝子が、ホモ接合型突然変異を保有する。上から下に、配列は、配列番号113〜124に対応する。図10Pは、エリートチェリー栽培品種Sweet 100におけるLINのCRISPR/Cas9標的化を示す。第1世代(T)linCR植物#1におけるlinCR対立遺伝子1(a1)及びa2の配列。植物当たり5つのリードが得られた。全てのシーケンシングした対立遺伝子は、複雑な再配列(イタリック体)を含む突然変異を保有していた。上から下に、配列は、配列番号125〜127に対応する。図10Qは、異なる分枝度を示すSweet 100及びSweet 100 linCR #1突然変異花序の代表的な画像を示す。図10R及び10Sは、Sweet 100及びSweet 100 linCR #1についての花序当たりの花(図10R)及び花序分枝事象(図10S)の定量を示す。N=花序の数。図10E、10F、10H、10I、10R、及び10S中の棒グラフは、平均(±SEM)を示す。両側2標本t検定によって決定されるP値。スケールバーが、1cmを表す。
配列
以下は、本明細書に記載される特定の配列の簡単な説明である。
配列番号1は、野生型Solyc04g005320遺伝子の核酸配列である。
配列番号2は、野生型Solyc04g005320コード配列の核酸配列である。
配列番号3は、突然変異体Solyc04g005320遺伝子対立遺伝子lintransの核酸配列である。転位部位のボーダー配列が、太字のイタリック体で示され、転位配列が、NNNNNN(N*X)NNNNNN配列によって表される。
配列番号4は、突然変異体Solyc04g005320遺伝子対立遺伝子linCR−対立遺伝子1の核酸配列である。
配列番号5は、突然変異体Solyc04g005320遺伝子対立遺伝子linCR−対立遺伝子2の核酸配列である。
配列番号6は、野生型Solyc12g038510遺伝子の核酸配列である。
配列番号7は、野生型Solyc12g038510コード配列の核酸配列である。
配列番号8は、突然変異体Solyc12g038510遺伝子対立遺伝子j2TEの核酸配列である。転位因子挿入部位のボーダー配列が、太字のイタリック体で示され、転位因子配列が、NNNNNN(N*X)NNNNNN配列によって表される。
配列番号9は、突然変異体Solyc12g038510遺伝子対立遺伝子j2stopの核酸配列である。
配列番号10は、突然変異体Solyc04g005320遺伝子対立遺伝子j2CR−対立遺伝子1の核酸配列である。
配列番号11は、突然変異体Solyc04g005320遺伝子対立遺伝子j2CR−対立遺伝子2の核酸配列である。
配列番号12は、野生型Solyc03g114840遺伝子の核酸配列である。
配列番号13は、野生型Solyc03g114840コード配列の核酸配列である。
配列番号14は、突然変異体Solyc03g114840遺伝子対立遺伝子ej2の核酸配列である。
配列番号15は、突然変異体Solyc04g005320遺伝子対立遺伝子ej2CR−対立遺伝子1の核酸配列である。
配列番号16は、突然変異体Solyc04g005320遺伝子対立遺伝子ej2CR−対立遺伝子3の核酸配列である。
花序構造の変化は、シュートの先端に位置する小さい幹細胞群である***組織の活性の変化に基づいている(Kyozuka et al.,2014;Park et al.,2014a)。開花期への移行中に、栄養期***組織が、徐々に生殖状態へと成熟し、種に応じて、花で直ちに終了するか、又は可変数の新たな花序***組織を生じ、それがさらなる花又は花を付ける枝になる(Prusinkiewicz et al.,2007)。栽培化されたトマト(ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum))及びその野生原種S.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)では、新たな花序***組織が、各前の***組織の側面において出てくる。このプロセスの数回の反復により、ジグザグ模様に配置された複数の花を有する花序が生じ、よく知られた「つる付きトマト」構造が生じる(図1A)(Park et al.,2012)。
花の生産及び収量を増加させるためのトマト花序構造の改良は、高い受精能を有する弱分枝花序を発生する近縁野生種の豊富な資源にもかかわらず、意外にも依然として難題である(Lemmon et al.,2016;Lippman et al.,2008;Park et al.,2012;Zamir,2001)。しかしながら、関連遺伝子から望ましくない影響なく複雑な多遺伝子形質を移すことの遺伝的不適合及び困難は、花序構造を改良するために野生種を用いることを不可能にしていた(MacArthur and Chiasson,1947)。潜在的価値のある花序変化の別の供給源は、栽培化された遺伝資源における希少な天然の及び誘導された高度に分枝した突然変異体である。これらの変異型の1つにおける分枝及び野生種における分枝は、さらなる花序***組織が形成されるのを可能にする長期の***組織成熟スケジュールによるものであることが以前に示されている(Lemmon et al.,2016;Park et al.,2012)。これは、***組織成熟のわずかな改良が、花序構造の有益な変化を提供することができたことを示唆していた(Park et al.,2014a)。しかしながら、主に、特に大きい実のなる品種における高い花の不生育及び低い果実生産をもたらすソース・シンク関係のアンバランスのため、育種家は、典型的に、中程度の分枝を選択する(Stephenson,1981)。
ある態様において、本開示は、2つの密接に関連したMADSボックス転写因子遺伝子における突然変異の同一性(identity)の発見に関し、これらのMADSボックス転写因子遺伝子の一方は、栽培化中に発生し、他方は、前世紀の作物改良中に発生した。各突然変異体は、突然変異の位置の知識を用いずに改良された花形態及び果実保持形質の表現型に基づいて別々に選択され、したがって、根底にある遺伝子は、突然変異の影響を受けていた。しかしながら、これらの2つの突然変異体を組み合わせることは、***組織成熟を制御する際にいくらかの重複性を示し、これは、望ましくない分枝を引き起こした。育種家は、分枝の抑制遺伝子を選択することによって、この負のエピスタシスを克服したが、その際、弱い分枝により花の生産を改良するための可能性が制限された。
本明細書に記載されるように、本出願人によるMADSボックス転写因子遺伝子における突然変異の同定及びMADSボックス遺伝子間の相互作用の詳細な分析は、***組織成熟の複数の調節因子における天然の及び遺伝子編集された突然変異間の量的関係(dosage relationship)を示した。ホモ接合型及びヘテロ接合型の組合せのMADSボックス遺伝子における突然変異の1つ以上を組み合わせることは、ある定量範囲の花序タイプの産生、及びより高い花及び果実生産などの望ましい形質を有する弱分枝交配種の発生を可能にした。特に、トマト植物における本明細書に記載されるデータは、突然変異体SEP4ホモログなどの突然変異体MADSボックス遺伝子の有用性、及び花序表現型を改変するためのこのような突然変異遺伝子間の相互作用を実証する。特に、MADSボックス遺伝子Solyc12g038510の突然変異体、MADSボックス遺伝子Solyc03g114840の突然変異体、及びMADSボックス遺伝子Solyc04g005320の突然変異体(これらのそれぞれが、シロイヌナズナ属(Arabidopsis)SEPALLATA4(SEP4)のホモログである)が、トマト植物における花序表現型を改変することが可能であることが示された。具体的には、様々なホモ接合型及びヘテロ接合型組合せにおけるこれらの突然変異の混合及びマッチングが、ある定量範囲の花序表現型及びより高い花及び果実生産を有する弱分枝交配種をもたらしたことが分かった。
したがって、ある態様において、本開示は、ある範囲の花序表現型を提供し得、改良された花序構造及び収量をもたらし得る、突然変異体SEPALLATA4(SEP4)ホモログなどの1つ以上の突然変異体MADSボックス遺伝子を含む植物(例えば、ナス科(Solanaceae)植物)に関する。
ある態様において、遺伝子組み換えされていない対応する植物(本明細書において「野生型」とも呼ばれる)又はSolyc04g005320遺伝子、Solyc12g038510遺伝子、及びSolyc03g114840遺伝子のうちの1つ以上のヌル突然変異を含む対応する植物などの対照植物と異なる特性を示す、突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)、突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)、及び突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)のうちの1つ以上を含む遺伝子組み換えSolanaceae(例えば、ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum))植物などの遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物が、本明細書において提供される。この特性としては、限定はされないが、改良された花序構造、改良された花数、より高い収量、より高品質の産物(例えば、果実)、及び改良された果実生産力(例えば、より多い果実数などの改良)のうちの1つ以上が挙げられる。
ある実施形態において、遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物、例えば、トマト植物(ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum)など)は、突然変異体Solyc04g005320遺伝子(ヘテロ接合型又はホモ接合型)、突然変異体Solyc12g038510遺伝子(ヘテロ接合型又はホモ接合型)、及び突然変異体Solyc03g114840遺伝子(ヘテロ接合型又はホモ接合型)のうちの1つ以上を含む。ある実施形態において、植物は、例えば、突然変異体Solyc04g005320と突然変異体Solyc12g038510;突然変異体Solyc04g005320と突然変異体Solyc03g114840;又は突然変異体Solyc04g005320と突然変異体Solyc12g038510及び突然変異体Solyc03g114840などの異なる突然変異対立遺伝子の様々な組合せを含む。遺伝子組み換え植物は、ヘテロ接合体又はホモ接合体であってもよく、ある実施形態において、二重ヘテロ接合体、二重ホモ接合体、三重ヘテロ接合体、又は三重ホモ接合体であり得る。ある実施形態において、このような植物は、本明細書に記載される突然変異体Solyc04g005320遺伝子を含む。ある実施形態において、このような植物は、本明細書に記載される突然変異体Solyc04g005320遺伝子及び本明細書に記載される突然変異体Solyc12g038510遺伝子を含む。ある実施形態において、このような植物は、本明細書に記載される突然変異体Solyc04g005320遺伝子及び本明細書に記載される突然変異体Solyc03g114840遺伝子を含む。ある実施形態において、このような植物は、本明細書に記載される突然変異体Solyc12g038510及び本明細書に記載される突然変異体Solyc03g114840と共に本明細書に記載される突然変異体Solyc04g005320を含む。
突然変異体Solyc04g005320遺伝子
本開示の態様は、Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)の突然変異体、並びにこのような突然変異遺伝子を含む植物、植物細胞、種子、及び核酸に関する。Solyc04g005320遺伝子は、本明細書において長い花序又はLINとも呼ばれる。Solyc04g005320遺伝子は、シロイヌナズナ属(Arabidopsis)におけるSEP4のホモログである。
ある実施形態において、低次形態対立遺伝子又はヌル対立遺伝子などの突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)を含むナス科(Solanaceae)植物(例えば、ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum))は、長い花序を有し、例えば、植物当たり各花序における平均で少なくとも15個の花(例えば、9〜30個の花)を産生する。ある実施形態において、花序当たりの花の数は、品種によって変化し得る(例えば、プラム種では9〜15個の花、及びチェリー種では20〜40個の花)。ある実施形態において、低次形態対立遺伝子又はヌル対立遺伝子などの突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)を含むナス科(Solanaceae)植物(例えば、ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum))は、野生型Solyc04g005320遺伝子(又はその野生型ホモログ)を含む植物より長い花序を有する。ある実施形態において、突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)は、Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)のヌル対立遺伝子と交配される場合、野生型Solyc04g005320遺伝子(又はその野生型ホモログ)表現型(植物当たり各花序における平均で8つの花(例えば、6〜10個の花)を産生することなど)を回復しない低次形態対立遺伝子である。ある実施形態において、高次形態対立遺伝子などの突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)を含むナス科(Solanaceae)植物(例えば、ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum))は、短い花序を有し、例えば、植物当たり各花序における平均で5つ未満の花(例えば、2〜6つの花)を産生する。ある実施形態において、高次形態対立遺伝子などの突然変異体Solyc04g005320遺伝子を含む植物は、野生型Solyc04g005320遺伝子を含む植物より短い花序を有する。
ある実施形態において、低次形態対立遺伝子又はヌル対立遺伝子などの突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)を含むナス科(Solanaceae)植物(例えば、ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum))は、花序当たりより多い枝を有し、例えば、花序当たり2つ以上の枝を産生する。ある実施形態において、低次形態対立遺伝子又はヌル対立遺伝子などの突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)を含むナス科(Solanaceae)植物(例えば、ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum))は、野生型Solyc04g005320遺伝子(又はその野生型ホモログ)を含む植物より多い枝を有する。ある実施形態において、突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)は、Solyc04g005320遺伝子のヌル対立遺伝子と交配される場合、野生型Solyc04g005320遺伝子(又はその野生型ホモログ)表現型(花序当たり平均で1つの枝を産生することなど)を回復しない低次形態対立遺伝子である。
ある実施形態において、突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)は、調節領域、コード領域又はその両方における突然変異(例えば、このような領域におけるミスセンス、ナンセンス、挿入、欠失、重複、逆位、インデル、又は転位突然変異)を含有する。ある実施形態において、調節領域はプロモーターである。ある実施形態において、コード領域における突然変異は、エクソンにある。ある実施形態において、突然変異は、第1イントロンにおける転位である(例えば、転写をなくす第1イントロンにおける転位を含むlintrans)。ある実施形態において、突然変異は、コード配列が欠失されたヌル突然変異である(例えば、CRISPR/Cas9によって産生されるヌル対立遺伝子であるlinCR)。
ある実施形態において、突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)は、低次形態対立遺伝子又はヌル対立遺伝子である。ある実施形態において、低次形態対立遺伝子は、突然変異(例えば、野生型対立遺伝子)を含まない対象とする遺伝子の対立遺伝子からの結果より少なくとも30%低い(例えば、少なくとも30%、少なくとも40%、少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、少なくとも80%又は少なくとも90%)、対象とする遺伝子のmRNA又はタンパク質発現レベルをもたらす対立遺伝子である。本明細書において使用される際、「ヌル対立遺伝子」は、コード配列内、遺伝子の調節領域内、又はその両方に位置し得る突然変異(例えば、ミスセンス、ナンセンス、挿入、欠失、重複、逆位、インデル、又は転位)のため、RNAへの転写が起こらない、機能タンパク質への翻訳が起こらない又はいずれも起こらない、対象とする遺伝子の対立遺伝子を指す。ある実施形態において、ヌル対立遺伝子は、ノックアウト対立遺伝子である。本明細書において使用される際、「ノックアウト対立遺伝子」は、例えば、相同的組み換えを用いて、遺伝子のコード配列の一部又は全ての欠失の結果として、RNAへの転写が起こらない、機能タンパク質への翻訳が起こらない又はいずれも起こらない、遺伝子の対立遺伝子を指す。ヌル突然変異を生成するための1つの非限定的な手法は、機能タンパク質ドメインをコードするエクソンを標的にするか又はコード配列の大部分(例えば、少なくとも80%)を標的にするためにCRISPR−Cas9突然変異生成を使用することである(例えば、Shi et al.Nature Biotechnology.(2015)33(6):661−667及びOnline Methodsを参照されたい)。
ある実施形態において、突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)は、高次形態対立遺伝子である。ある実施形態において、高次形態対立遺伝子は、突然変異(例えば、野生型対立遺伝子)を含まない対象とする遺伝子の対立遺伝子からの結果より少なくとも30%高い(例えば、少なくとも30%、少なくとも40%、少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、少なくとも80%、少なくとも90%、少なくとも100%、少なくとも200%又はそれ以上)、対象とする遺伝子のmRNA又はタンパク質発現レベルをもたらす対立遺伝子である。mRNA及びタンパク質レベルは、当該技術分野において公知の又は本明細書に記載される任意の方法を用いて、例えば、mRNAレベルについてはqRT−PCR又はタンパク質レベルについては免疫学的検定を用いて測定され得る。
ある実施形態において、突然変異体Solyc04g005320遺伝子、又はそのホモログ(例えば、本明細書に記載される低次形態、ノックアウト又はヌル対立遺伝子)を含むナス科(Solanaceae)植物(例えば、ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum))は、突然変異遺伝子に対してヘテロ接合型である。ある実施形態において、突然変異体Solyc04g005320遺伝子、又はそのホモログ(例えば、本明細書に記載される低次形態、ノックアウト又はヌル対立遺伝子)を含むナス科(Solanaceae)植物(例えば、ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum))は、突然変異遺伝子に対してホモ接合型である。
ある実施形態において、Solyc04g005320遺伝子ホモログ(a)は、配列番号1又は2の配列との、少なくとも75%、少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%、少なくとも96%、少なくとも97%、少なくとも98%、又は少なくとも99%の同一性を有する配列を有し、(b)は、ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum)遺伝子でない。
ある実施形態において、突然変異体lintrans遺伝子は、例えば、配列番号3の配列を有する核酸(例えば、DNA);配列番号3の配列を有する核酸(例えば、DNA)と実質的に同じ活性(例えば、同じ活性を有する同じポリペプチド又は実質的に同じポリペプチドをコードする)を示す配列番号3の一部;配列番号3の配列と、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%、少なくとも96%、少なくとも97%、少なくとも98%、又は少なくとも99%の同一性を有する核酸(例えば、DNA);配列番号3の配列を有する核酸のオルソログ又はホモログを含む。
ある実施形態において、突然変異体linCR遺伝子は、例えば、配列番号4又は5の配列を有する核酸(例えば、DNA);配列番号4又は5の配列を有する核酸(例えば、DNA)と実質的に同じ活性(例えば、同じ活性を有する同じポリペプチド又は実質的に同じポリペプチドをコードする)を示す配列番号4又は5の一部;配列番号4又は5の配列との、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%、少なくとも96%、少なくとも97%、少なくとも98%、又は少なくとも99%の同一性を有する核酸(例えば、DNA);配列番号4又は5の配列を有する核酸のオルソログ又はホモログを含む。
突然変異体Solyc12g038510遺伝子
本開示の他の態様は、Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)の突然変異体、並びにこのような突然変異遺伝子を含む植物、植物細胞、種子、及び核酸に関する。Solyc12g038510遺伝子は、本明細書においてジョイントレス−2(Jointless−2)又はJ2とも呼ばれる。Solyc12g038510遺伝子は、シロイヌナズナ属(Arabidopsis)におけるSEP4のホモログである。
ある実施形態において、低次形態対立遺伝子又はヌル対立遺伝子などの突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)を含むナス科(Solanaceae)植物(例えば、ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum))は、花序当たりより多い枝を有し、例えば、花序当たり2つ以上の枝を産生する。ある実施形態において、低次形態対立遺伝子又はヌル対立遺伝子などの突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)を含むナス科(Solanaceae)植物(例えば、ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum))は、野生型Solyc12g038510遺伝子を含む植物より多い枝を有する。ある実施形態において、突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)は、cSolyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)のヌル対立遺伝子と交配される場合、野生型Solyc12g038510遺伝子(又はその野生型ホモログ)表現型(花序当たり平均で1つの枝を産生することなど)を回復しない低次形態対立遺伝子である。ある実施形態において、低次形態対立遺伝子又はヌル対立遺伝子などの突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)を含むナス科(Solanaceae)植物(例えば、ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum))は、節として知られている花の茎(小花柄)における離層帯を欠くか(離層帯のこの非存在は、本明細書において「節なしの小花柄」とも呼ばれる)、又は可視の離層帯(すなわち、節)を生成するが、離層は生じないか、又は小花柄から果実を分離するのにより大きい力(例えば、手摘み収穫)を必要として、より良好な果実保持特性を提供する。ある実施形態において、低次形態対立遺伝子又はヌル対立遺伝子などの突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)を含むナス科(Solanaceae)植物(例えば、ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum))は、野生型Solyc12g038510遺伝子(又はその野生型ホモログ)を含む植物より多い節なしの小花柄を有する。ある実施形態において、突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)は、Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)のヌル対立遺伝子と交配される場合、野生型Solyc12g038510遺伝子(又はその野生型ホモログ)表現型(小花柄上に正常な離層帯を有することなど)を回復しない低次形態対立遺伝子である。
ある実施形態において、突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)は、調節領域、コード領域又はその両方における突然変異(例えば、このような領域におけるミスセンス、ナンセンス、挿入、欠失、重複、逆位、インデル、又は転位突然変異)を含有する。ある実施形態において、調節領域はプロモーターである。ある実施形態において、コード領域における突然変異は、エクソンにある。ある実施形態において、突然変異は、第1イントロン(例えば、第1イントロンにおけるCopia/Rider型転位因子(TE)を含有するj2TE)である。ある実施形態において、突然変異は、早期終止コドンをもたらすナンセンス突然変異である(例えば、j2stopは、早期ナンセンス突然変異を有する)。ある実施形態において、突然変異は、コード配列が欠失されたヌル突然変異である(例えば、CRISPR/Cas9によって産生されるヌル対立遺伝子であるj2CR)。
ある実施形態において、突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)は、低次形態対立遺伝子又はヌル対立遺伝子である。ある実施形態において、低次形態対立遺伝子は、突然変異(例えば、野生型対立遺伝子)を含まない対象とする遺伝子の対立遺伝子からの結果より少なくとも30%低い(例えば、少なくとも30%、少なくとも40%、少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、少なくとも80%又は少なくとも90%)、対象とする遺伝子のmRNA又はタンパク質発現レベルをもたらす対立遺伝子である。
ある実施形態において、突然変異体Solyc12g038510遺伝子、又はそのホモログ(例えば、本明細書に記載される低次形態、ノックアウト又はヌル対立遺伝子)を含むナス科(Solanaceae)植物(例えば、ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum))は、突然変異遺伝子に対してヘテロ接合型である。ある実施形態において、突然変異体Solyc12g038510遺伝子、又はそのホモログ(例えば、本明細書に記載される低次形態、ノックアウト又はヌル対立遺伝子)を含むナス科(Solanaceae)植物(例えば、ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum))は、突然変異遺伝子に対してホモ接合型である。
ある実施形態において、Solyc12g038510遺伝子ホモログ(a)は、配列番号6又は7の配列との、少なくとも75%、少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%、少なくとも96%、少なくとも97%、少なくとも98%、又は少なくとも99%の同一性を有する配列を有し、(b)は、ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum)遺伝子でない。
ある実施形態において、突然変異体j2TE遺伝子は、例えば、配列番号8の配列を有する核酸(例えば、DNA);配列番号8の配列を有する核酸(例えば、DNA)と実質的に同じ活性(例えば、同じ活性を有する同じポリペプチド又は実質的に同じポリペプチドをコードする)を示す配列番号8の一部;配列番号8の配列との、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%、少なくとも96%、少なくとも97%、少なくとも98%、又は少なくとも99%の同一性を有する核酸(例えば、DNA);配列番号8の配列を有する核酸のオルソログ又はホモログを含む。
ある実施形態において、突然変異体j2stop遺伝子は、例えば、配列番号9の配列を有する核酸(例えば、DNA);配列番号9の配列を有する核酸(例えば、DNA)と実質的に同じ活性(例えば、同じ活性を有する同じポリペプチド又は実質的に同じポリペプチドをコードする)を示す配列番号9の一部;配列番号9の配列との、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%、少なくとも96%、少なくとも97%、少なくとも98%、又は少なくとも99%の同一性を有する核酸(例えば、DNA);配列番号9の配列を有する核酸のオルソログ又はホモログを含む。
ある実施形態において、突然変異体j2CR遺伝子は、例えば、配列番号10又は11の配列を有する核酸(例えば、DNA);配列番号10又は11の配列を有する核酸(例えば、DNA)と実質的に同じ活性(例えば、同じ活性を有する同じポリペプチド又は実質的に同じポリペプチドをコードする)を示す配列番号10又は11の一部;配列番号10又は11の配列との、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%、少なくとも96%、少なくとも97%、少なくとも98%、又は少なくとも99%の同一性を有する核酸(例えば、DNA);配列番号10又は11の配列を有する核酸のオルソログ又はホモログを含む。
突然変異体Solyc03g114840遺伝子
本開示の他の態様は、Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)の突然変異体、並びにこのような突然変異遺伝子を含む植物、植物細胞、種子、及び核酸に関する。Solyc03g114840遺伝子は、本明細書においてエンハンサー・オブ・ジョイントレス−2(Enhancer−of−Jointless−2)又はEJ2とも呼ばれる。Solyc03g114840遺伝子は、シロイヌナズナ属(Arabidopsis)におけるSEP4のホモログである。
ある実施形態において、低次形態対立遺伝子又はヌル対立遺伝子などの突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)を含むナス科(Solanaceae)植物(例えば、ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum))は、花序当たりより多い枝を有し、例えば、花序当たり2つ以上の枝を産生する。ある実施形態において、低次形態対立遺伝子又はヌル対立遺伝子などの突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)を含むナス科(Solanaceae)植物(例えば、ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum))は、野生型Solyc03g114840遺伝子(又はその野生型ホモログ)を含む植物より多い枝を有する。ある実施形態において、突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)は、Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)のヌル対立遺伝子と交配される場合、野生型Solyc03g114840遺伝子(又はその野生型ホモログ)表現型(花序当たり平均で1つの枝を産生することなど)を回復しない低次形態対立遺伝子である。ある実施形態において、低次形態対立遺伝子又はヌル対立遺伝子などの突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)を含むナス科(Solanaceae)植物(例えば、ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum))は、例えば、少なくとも1.2の平均萼片対花弁比(萼片長さ/花弁長さ)である、より大きい萼をもたらす長い萼片を有する。ある実施形態において、低次形態対立遺伝子又はヌル対立遺伝子などの突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)を含むナス科(Solanaceae)植物(例えば、ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum))は、野生型Solyc03g114840遺伝子(又はその野生型ホモログ)を含む植物より長い萼片を有する。ある実施形態において、突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)は、Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)のヌル対立遺伝子と交配される場合、野生型Solyc03g114840遺伝子(又はその野生型ホモログ)表現型(0.8以下の平均萼片対花弁比(萼片長さ/花弁長さ)を有することなど)を回復しない低次形態対立遺伝子である。
ある実施形態において、突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)は、調節領域、コード領域又はその両方における突然変異(例えば、このような領域におけるミスセンス、ナンセンス、挿入、欠失、重複、逆位、インデル、又は転位突然変異)を含有する。ある実施形態において、調節領域はプロモーターである。ある実施形態において、突然変異は、コード配列が欠失されたヌル突然変異である(例えば、CRISPR/Cas9によって産生されるヌル対立遺伝子であるej2CR)。ある実施形態において、突然変異は、第5イントロンにおける挿入突然変異(例えば、第5イントロンにおける564bpの挿入を有する低次形態対立遺伝子であるej2)である。
ある実施形態において、突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)は、低次形態対立遺伝子又はヌル対立遺伝子である。ある実施形態において、低次形態対立遺伝子は、突然変異(例えば、野生型対立遺伝子)を含まない対象とする遺伝子の対立遺伝子からの結果より少なくとも30%低い(例えば、少なくとも30%、少なくとも40%、少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、少なくとも80%又は少なくとも90%)、対象とする遺伝子のmRNA又はタンパク質発現レベルをもたらす対立遺伝子である。
ある実施形態において、突然変異体Solyc03g114840遺伝子、又はそのホモログ(例えば、本明細書に記載される低次形態、ノックアウト又はヌル対立遺伝子)を含むナス科(Solanaceae)植物(例えば、ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum))は、突然変異遺伝子に対してヘテロ接合型である。ある実施形態において、突然変異体Solyc03g114840遺伝子、又はそのホモログ(例えば、本明細書に記載される低次形態、ノックアウト又はヌル対立遺伝子)を含むナス科(Solanaceae)植物(例えば、ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum))は、突然変異遺伝子に対してホモ接合型である。
ある実施形態において、Solyc03g114840遺伝子ホモログ(a)は、配列番号12又は13の配列との、少なくとも75%、少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%、少なくとも96%、少なくとも97%、少なくとも98%、又は少なくとも99%の同一性を有する配列を有し、(b)は、ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum)遺伝子でない。
ある実施形態において、突然変異体ej2遺伝子は、例えば、配列番号14の配列を有する核酸(例えば、DNA);配列番号14の配列を有する核酸(例えば、DNA)と実質的に同じ活性(例えば、同じ活性を有する同じポリペプチド又は実質的に同じポリペプチドをコードする)を示す配列番号14の一部;配列番号14の配列との、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%、少なくとも96%、少なくとも97%、少なくとも98%、又は少なくとも99%の同一性を有する核酸(例えば、DNA);配列番号14の配列を有する核酸のオルソログ又はホモログを含む。
ある実施形態において、突然変異体ej2CR遺伝子は、例えば、配列番号15又は16の配列を有する核酸(例えば、DNA);配列番号15又は16の配列を有する核酸(例えば、DNA)と実質的に同じ活性(例えば、同じ活性を有する同じポリペプチド又は実質的に同じポリペプチドをコードする)を示す配列番号15又は16の一部;配列番号15又は16の配列との、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%、少なくとも96%、少なくとも97%、少なくとも98%、又は少なくとも99%の同一性を有する核酸(例えば、DNA);配列番号15又は16の配列を有する核酸のオルソログ又はホモログを含む。
突然変異遺伝子を含むナス科(Solanaceae)植物
様々な組成(例えば、果実中の強化された可溶性固形分又は糖濃度としても知られているブリックス)を有するより高い収量、より高品質の産物(例えば、果実)及び産物(例えば、果実)が、突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)、突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)、又は突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)などの突然変異遺伝子;又は突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)及び突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)の両方、突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)及び突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)の両方、又は突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)及び突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)の両方などの2つの突然変異遺伝子;又は突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)、突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)、及び突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)などの3つの突然変異遺伝子を含む様々なタイプのナス科(Solanaceae)植物において操作され得る。ある実施形態において、ナス科(Solanaceae)植物は、遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物である。ある実施形態において、「遺伝子組み換え」植物は、化学的又は物理的手段(例えば、CRISPR/Cas9、化学的突然変異生成、放射線、アグロバクテリウム(Agrobacterium)媒介組み換え、ウイルスベクター媒介組み換え、又はトランスポゾン突然変異生成を用いて)によって、少なくとも1つの突然変異を導入された(又は親系統に導入されるなど、植物を産生するのに使用される植物に導入された)植物を含む。
突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)は、本明細書に記載される突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)のいずれかであり得る。突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)は、本明細書に記載される突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)のいずれかであり得る。突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)は、本明細書に記載される突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)のいずれかであり得る。
遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物は、植物が、突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)、突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)、又は突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ);又は突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)及び突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)の両方、突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)及び突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)の両方、又は突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)及び突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)の両方などの2つの突然変異遺伝子;又は突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)、突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)、及び突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)などの3つの突然変異遺伝子などの突然変異遺伝子を含む限り、例えば、近交系、同系又は交配種であり得る。
ナス科(Solanaceae)の植物としては、例えば、トマト、ジャガイモ、ナス、ペチュニア、タバコ、及びピーマンが挙げられる。ある実施形態において、ナス科(Solanaceae)植物は、トマト植物である。ある実施形態において、ナス科(Solanaceae)植物、例えばトマト植物は、変種でない。
ある実施形態において、遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物は、SOLYC04G005320遺伝子(又はそのホモログ)の1つの野生型(WT)コピー及び本明細書に記載されるSolyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)の1つの突然変異体コピーを含む(突然変異体Solyc04g005320遺伝子又はそのホモログに対してヘテロ接合型である)。ある実施形態において、ナス科(Solanaceae)植物は、本明細書に記載される突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)の2つのコピーを含む(突然変異体Solyc04g005320遺伝子又はそのホモログに対してホモ接合型である)。ある実施形態において、ナス科(Solanaceae)植物は、本明細書に記載される第1の突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)及び本明細書に記載される第2の突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)を含み、第1の突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)及び第2の突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)は異なる。ある実施形態において、ナス科(Solanaceae)植物は、本明細書に記載される突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)の1つのコピー及び本明細書に記載される突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)の1つのコピーを含む(突然変異体Solyc04g005320遺伝子、又はそのホモログに対してヘテロ接合型であり、突然変異体Solyc12g038510遺伝子、又はそのホモログに対してヘテロ接合型である)。ある実施形態において、ナス科(Solanaceae)植物は、本明細書に記載される突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)の1つのコピー及び本明細書に記載される突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)の2つのコピーを含む(突然変異体Solyc04g005320遺伝子、又はそのホモログに対してヘテロ接合型であり、突然変異体Solyc12g038510遺伝子、又はそのホモログに対してホモ接合型である)。ある実施形態において、ナス科(Solanaceae)植物は、本明細書に記載される突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)の2つのコピー及び本明細書に記載される突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)の2つのコピーを含む(突然変異体Solyc04g005320遺伝子、又はそのホモログに対してホモ接合型であり、突然変異体Solyc12g038510遺伝子、又はそのホモログに対してホモ接合型である)。
ある実施形態において、遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物は、SOLYC03G114840遺伝子(又はそのホモログ)の1つのWTコピー及び本明細書に記載されるSolyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)の1つの突然変異体コピーを含む(突然変異体Solyc03g114840遺伝子、又はそのホモログに対してヘテロ接合型である)。ある実施形態において、ナス科(Solanaceae)植物は、本明細書に記載される突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)の2つのコピーを含む(突然変異体Solyc03g114840遺伝子又はそのホモログに対してホモ接合型である)。ある実施形態において、ナス科(Solanaceae)植物は、本明細書に記載される突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)の1つのコピー及び本明細書に記載される突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)の1つのコピーを含む(突然変異体Solyc03g114840遺伝子、又はそのホモログに対してヘテロ接合型であり、突然変異体Solyc04g005320遺伝子、又はそのホモログに対してヘテロ接合型である)。ある実施形態において、ナス科(Solanaceae)植物は、本明細書に記載される突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)の1つのコピー及び本明細書に記載される突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)の2つのコピーを含む(突然変異体Solyc03g114840遺伝子、又はそのホモログに対してヘテロ接合型であり、突然変異体Solyc04g005320遺伝子、又はそのホモログに対してホモ接合型である)。ある実施形態において、ナス科(Solanaceae)植物は、本明細書に記載される突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)の2つのコピー及び本明細書に記載される突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)の2つのコピーを含む(突然変異体Solyc03g114840遺伝子、又はそのホモログに対してホモ接合型であり、突然変異体Solyc04g005320遺伝子、又はそのホモログに対してホモ接合型である)。
ある実施形態において、遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物は、SOLYC03G114840遺伝子の1つのWTコピー及び本明細書に記載されるSolyc03g114840遺伝子の1つの突然変異体コピーを含み(突然変異体Solyc03g114840遺伝子に対してヘテロ接合型である)、SOLYC12G038510遺伝子の1つのWTコピー及び本明細書に記載されるSolyc12g038510遺伝子の1つの突然変異体コピーを含む(突然変異体Solyc12g038510遺伝子に対してヘテロ接合型である)。ある実施形態において、ナス科(Solanaceae)植物は、本明細書に記載される突然変異体Solyc03g114840遺伝子の2つのコピーを含み(突然変異体Solyc03g114840遺伝子に対してホモ接合型である)、本明細書に記載される突然変異体Solyc12g038510遺伝子の2つのコピーを含む(突然変異体Solyc12g038510遺伝子に対してホモ接合型である)。ある実施形態において、本明細書に記載される突然変異体Solyc03g114840遺伝子(1つ又は2つのコピー)及び突然変異体Solyc12g038510遺伝子(1つ又は2つのコピー)を含むナス科(Solanaceae)植物は、本明細書に記載される突然変異体Solyc04g005320遺伝子の1つのコピーをさらに含む(突然変異体Solyc03g114840遺伝子及び突然変異体Solyc12g038510遺伝子に対してヘテロ接合型又はホモ接合型であり、突然変異体Solyc04g005320遺伝子に対してヘテロ接合型である)。ある実施形態において、ナス科(Solanaceae)植物は、本明細書に記載される突然変異体Solyc04g005320遺伝子の2つのコピーをさらに含む(突然変異体Solyc04g005320遺伝子に対してホモ接合型である)。
ナス科(Solanaceae)(例えば、ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum))植物が含み得る遺伝子型組合せの他の非限定的な例が、表1に示される。表1中の組合せはまた、遺伝子のホモログとの組合せであり得る。
ナス科(Solanaceae)植物細胞も、本明細書において想定される。ナス科(Solanaceae)植物細胞は、例えば、ナス科(Solanaceae)植物の文脈において、表1中で限定なしで示されるように、本明細書に記載される任意の遺伝子型を含み得る(例えば、突然変異体Solyc03g114840遺伝子、又はそのホモログ、及び突然変異体Solyc12g038510遺伝子、又はそのホモログに対してヘテロ接合型であるナス科(Solanaceae)植物細胞、又は突然変異体Solyc12g038510遺伝子、又はそのホモログ、及び突然変異体Solyc04g005320遺伝子、又はそのホモログに対してホモ接合型であるナス科(Solanaceae)植物細胞)。ある実施形態において、ナス科(Solanaceae)植物細胞は単離される。ある実施形態において、ナス科(Solanaceae)植物細胞は、複製しない植物細胞である。
ある実施形態において、本明細書に記載されるナス科(Solanaceae)植物のいずれかが、WTナス科(Solanaceae)植物と比較して改変された表現型を有し得る(例えば、対応するWT遺伝子の2つのコピー又は1つのコピーを含むナス科(Solanaceae)植物)。ある実施形態において、本明細書に記載されるナス科(Solanaceae)植物のいずれかが、対応するWTナス科(Solanaceae)植物より高い収量を有する。ある実施形態において、本明細書に記載されるナス科(Solanaceae)植物のいずれかが、以下の特性:対応するWTナス科(Solanaceae)植物と比較して、より長い萼片、より大きい萼、異なる果実形状、より少ない枝、節なしの小花柄、長い花序、又は大きい果実のうちの1つ以上を有する。ある実施形態において、このような特性は、消費者にとって魅力的であり(例えば、ナス科(Solanaceae)植物の産物がより新鮮に見える)、栽培者にとって有利である(例えば、ナス科(Solanaceae)植物の産物が、より長い期間にわたって植物に付着したままである)。
食品も、本明細書において想定される。このような食品は、果実(例えば、トマト果実)などのナス科(Solanaceae)植物部位を含む。食品の非限定的な例としては、ソース(例えば、トマトソース又はケチャップ)、ピュレ、ペースト、ジュース、缶詰の果実、及びスープが挙げられる。食品は、当該技術分野において公知の方法を用いることによって、製造されるか又は製造可能であり得る。
WT及びSolyc04g005320遺伝子、又はそのホモログの突然変異対立遺伝子、例えば、lintrans及びlinCRを含む、単離されたポリヌクレオチドも、本明細書に記載される。WT及びSolyc12g038510遺伝子、又はそのホモログの突然変異対立遺伝子、例えば、j2CR、j2TE及びj2stopを含む、単離されたポリヌクレオチドも、本明細書において想定される。WT及びSolyc03g114840遺伝子、又はそのホモログの突然変異対立遺伝子、例えば、ej2CR及びej2を含む、単離されたポリヌクレオチドも想定される。
単離されたポリヌクレオチドは、例えば、配列番号3、4、5、8、9、10、11、14、15又は16の配列を有する核酸(例えば、DNA);配列番号3、4、5、8、9、10、11、14、15又は16の配列を有する核酸(例えば、DNA)と実質的に同じ活性を示す配列番号3、4、5、8、9、10、11、14、15又は16の一部;配列番号3、4、5、8、9、10、11、14、15又は16の配列との、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%、少なくとも96%、少なくとも97%、少なくとも98%、又は少なくとも99%の同一性を有する核酸(例えば、DNA);配列番号3、4、5、8、9、10、11、14、15又は16の配列を有する核酸のオルソログ又はホモログを含み得る。ある実施形態において、単離されたポリヌクレオチドは、cDNAである。このような単離されたポリヌクレオチドが、例えば、遺伝子組み換え植物を産生する方法に使用され得る。
本開示の他の態様は、本明細書に記載されるナス科(Solanaceae)植物、例えば、突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)、突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)、又は突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)を産生するための種子に関する。
植物を産生する方法
他の態様において、本開示は、遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物を産生するための方法を提供する。ある実施形態において、本方法は、突然変異を、ナス科(Solanaceae)植物中のSolyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)、Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)、又はSolyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)に導入し、それによって、遺伝子の突然変異形態を含む遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物を産生することを含む。ある実施形態において、本方法は、突然変異を、ナス科(Solanaceae)植物部位中のSolyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)、Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)、又はSolyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)に導入し、植物部位を、遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物の産生のための条件下で及び十分な時間にわたって維持し、それによって、遺伝子の突然変異形態を含む遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物(又はそのホモログ)を産生することを含む。ある実施形態において、突然変異は、Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)、Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)、及びSolyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)のうちの2つ又は3つ全てに導入される。
本明細書に記載される方法のいずれかにおいて、突然変異遺伝子は、アグロバクテリウム(Agrobacterium)媒介組み換え、ウイルスベクター媒介組み換え、マイクロインジェクション、遺伝子銃照射/弾道粒子送達、エレクトロポレーション、突然変異生成(例えば、メタンスルホン酸エチル又は高速中性子照射による)、TILLING(ゲノム中の標的誘導局所病変(Targeting Induced Local Lesions in Genomes))、従来のマーカーに補助された遺伝子移入、及びヌクレアーゼ媒介組み換え(例えば、遺伝子置換によって突然変異生成を標的にするための特注の制限酵素の使用、例えば、CRISPR−Cas9:Genome engineering using the CRISPR−Cas9 system.Ran FA,Hsu PD,Wright J,Agarwala V,Scott DA,Zhang F.Nat Protoc.2013 Nov;8(11):2281−308;TALEN endonucleases:Nucleic Acids Res.2011 Jul;39(12):e82.Efficient design and assembly of custom TALEN and other TAL effector−based constructs for DNA targeting.Cermak T,Doyle EL,Christian M,Wang L,Zhang Y,Schmidt C,Baller JA,Somia NV,Bogdanove AJ,Voytas DF and Plant Biotechnol J.2012 May;10(4):373−89.Genome modifications in plant cells by custom−made restriction enzymes.Tzfira T,Weinthal D,Marton I,Zeevi V,Zuker A,Vainstein A.を参照されたい)などの、本明細書に記載される又は当業者に公知の任意の方法によって、ナス科(Solanaceae)植物若しくは植物部位に導入されるか、又はナス科(Solanaceae)植物若しくは植物部位において生成され得る。本明細書に記載される方法によって産生されるか又は産生可能な遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物も権利請求される。
ある実施形態において、突然変異は、本明細書に記載されるSolyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)、Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)、又はSolyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)のヌル対立遺伝子、低次形態対立遺伝子、又は高次形態対立遺伝子を産生する。ある実施形態において、突然変異は、CRISPR/Cas9を用いて導入される、Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)、Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)、又はSolyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)のヌル突然変異である。
あるいは、遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物を産生する方法は、植物又は植物部位における野生型Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)、野生型Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)、又は野生型Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)の機能を(部分的に又は完全に)低下させることを含む。ある実施形態において、機能を低下させることは、RNA干渉の以下の方法のいずれかを行うこと(例えば、ナス科(Solanaceae)植物に、マイクロRNA又は低分子干渉(si)−RNA又はヘアピンRNA)又は翻訳阻害を投与すること(例えば、ナス科(Solanaceae)植物に、モルホリノを投与すること)を含む。RNA干渉及び翻訳阻害の方法は、当該技術分野において周知である。マイクロRNA、si−RNA、及びモルホリノを産生する方法は、当該技術分野において周知であり、本明細書において提供されるヌクレオチド配列の使用を含み得る。
ある実施形態において、本方法は、突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)を含有する産生された遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物を、突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)、突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)、又は突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)及び突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)の両方を含む別の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物と交配させることを含む。ある実施形態において、本方法は、突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)を含有する産生された遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物を、突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)、突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)、又は突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)及び突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)の両方を含む別の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物と交配させることを含む。ある実施形態において、本方法は、突然変異体Solyc03g114840遺伝子(又はそのホモログ)を含有する産生された遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物を、突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)、突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)、又は突然変異体Solyc12g038510遺伝子(又はそのホモログ)及び突然変異体Solyc04g005320遺伝子(又はそのホモログ)の両方を含む別の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物と交配させることを含む。
本開示の核酸配列例
野生型Solyc04g005320遺伝子


野生型Solyc04g005320コード配列

突然変異体Solyc04g005320遺伝子対立遺伝子lintrans


突然変異体Solyc04g005320遺伝子対立遺伝子linCR
>allele−1


>allele−2


野生型Solyc12g038510遺伝子




野生型Solyc12g038510コード配列

突然変異体Solyc12g038510遺伝子対立遺伝子j2TE




突然変異体Solyc12g038510遺伝子対立遺伝子j2stop




突然変異体Solyc12g038510遺伝子対立遺伝子j2CR
>allele−1




>allele−2




野生型Solyc03g114840遺伝子


野生型Solyc03g114840コード配列

突然変異体Solyc03g114840遺伝子対立遺伝子ej2


突然変異体Solyc03g114840遺伝子対立遺伝子ej2CR
>allele−1


>allele−3

実施例1.栽培化遺伝子によって課されるトマトの収量に対する負のエピスタシスの回避
要約
改良された花の生産及び収量を有する花序構造の選択は、多くの栽培化された作物において一般的である。しかしながら、トマト花序は、野生原種に類似しており、育種家は、低い受精能のため過剰な分枝を回避していた。本開示は、独立して選択された2つの関連する転写因子における突然変異を保有する分枝した変異型の発見に関する。本明細書に記載されるように、1つの創始者突然変異が、果実における葉状の器官を大きくし、果実サイズが栽培化中に増加されたため選択された。他の突然変異は、花離層帯をなくして、「節なしの」果実茎を提供し、これが、果実の落下を減少させ、機械収穫を促進した。両方の有益な形質を合わせることにより、エピスタシスに起因する望ましくない分枝及び不稔性が引き起こされ、これを、育種家は抑制遺伝子で克服していた。しかしながら、これは、弱い分枝からの生産性向上の機会を制限した。複数のファミリーメンバーのために天然及び操作された対立遺伝子を用いて、本発明者らは、より高い収量の交配種の育種を可能にする一連の花序複雑性を達成した。負のエピスタシスの類似の事例を特徴付け、それを中和することにより、多くの農業生物の生産性を向上させることができた。
方法
実験モデル及び対象の詳細
植物材料及び成長条件
標準的なS.リコペルシカム(S.lycopersicum)栽培品種M82(LA3475)の種子を、本発明のストックから得た。コアコレクション遺伝資源(www.eu−sol.wur.nl)を、Z.Lippman、D.Zamir、及びS.Huang(Lin et al.,2014)の種子ストックから得た。節なしのS.チースマニアエ(S.cheesmaniae)系統LA0166の種子を、カリフォルニア大学デービス校(University of California,Davis)におけるCharles M.Rick Tomato Genetics Resource Center(TGRC)から入手した。frondea突然変異体を、Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research(IPK)(Gatersleben,Germany)の遺伝子バンクから入手した。マイクロトム(Micro−tom)バックグラウンド(TOM−JPG5091)における長い花序(lin)突然変異体の種子は、AMEDのナショナルバイオリソースプロジェクト(National Bio−Resource Project)(NBRP)(日本)(tomatoma.nbrp.jp/)を介して、筑波大学遺伝子実験センター(University of Tsukuba,Gene Research Center)によって提供された。lin突然変異体を、標準的なM82栽培品種に4回戻し交配した。ランドレース種コレクション(S.リコペルシカム(S.lycopersicum)変種セラシフォルメ(cerasiforme))を、E.van der Knaapの種子ストックから得た。エリート育種系統の組織試料、DNA、又は種子を、Syngenta、Nunhems、Monsanto、Lipman Seeds、Johnny’s Seeds、及びTomatoGrowersから入手した。
種子を、完全な暗所で、28℃で、湿らせたワットマン紙上で予め発芽させるか、又は直接蒔いて、96セルプラスチックフラット中の土壌において発芽させた。植物を、高圧ナトリウム電球(約250μmol m−2−1)からの人工光を補った自然光の下で、温室中で、長日条件(16時間の光/8時間の暗所)下で成長させた。昼間及び夜間温度は、40〜60%の相対湿度で、それぞれ26〜28℃及び18〜20℃であった。
花序構造、萼片長さ、果実タイプ、及び生産性形質の分析を、Cold Spring Harbor Laboratory(Cold Spring Harbor,New York)、Cornell Long Island Horticultural Experiment Station(Riverhead,New York)の圃場、及びHatzav(Israel)のネットハウスで成長された植物において行った。ランドレース種の萼片長さの分析を、ジョージア大学(University of Georgia)(Athens,Georgia)のDurham horticulture farmの圃場で成長された植物において行った。種子を、96セルフラット中で発芽させ、温室中で32日間成長させてから、圃場に移した。植物を、点滴灌漑及び標準的な肥料状況で成長させた。損傷した又は罹病した植物に、シーズンを通して印を付け、それを分析から除外した。
方法の詳細
植物表現型解析
萼片長さの分析のために、系統当たり10個の閉じた花芽の萼片及び花弁の長さを手作業で測定し、萼片/花弁比を計算した。同様の発育段階の成熟した花芽を収集した(開花の1〜2日前、すなわち、開花前)。花序複雑性の分析のために、分枝事象の数を、各複製植物における少なくとも5つの花序において計数した。
酵母ツーハイブリッド分析
酵母におけるタンパク質相互作用アッセイを、上述されるMatchmaker Gold Yeast Two−Hybrid System(Clontech)(Park et al.,2014b)を用いて行った。ベイト(bait)タンパク質のコード配列を、pGBKT7ベクターへとクローニングし、得られたベクターを、Y2HGold酵母菌株へと形質転換した。プレイ(prey)タンパク質のコード配列を、pGADT7 ADベクターへとクローニングし、得られたベクターを、Y187酵母菌株へと形質転換した。ベイト及びプレイタンパク質を発現する1つの酵母菌株を交配させた後、二倍体酵母細胞を選択し、ロイシン及びトリプトファンを含まないドロップアウト培地上で成長させた。タンパク質間相互作用をアッセイするために、クローンを、30℃で3日間にわたって、ロイシン、トリプトファン、及びヒスチジンを含まないトリプル−ドロップアウト培地上で成長させた。自己賦活を阻止するために、3mMの3−アミノ−1,2,4−トリアゾール(3−AT)を加え、又はアデニンを、トリプル−ドロップアウト培地から除去した。クローニングに使用される全てのプライマー配列は、表2中に見られる。
***組織イメージング
生きた***組織を、Nikon SMZ1500実体顕微鏡(Nikon)を用いてイメージングした。茎頂を、苗から切開し、より古い原始葉を除去して、***組織を露出させた。切開の直後に、光学層の配列を、実体顕微鏡に取り付けられたNikon DS−Ri1デジタルカメラ(Nikon)を用いてイメージングした。NIS Elements BR3.2ソフトウェア(Nikon)を用いて、光学切片のZ−スタックをアライメントし、重ね合わせて、最終的な焦点の合った像を生成した。
***組織トランスクリプトームプロファイリング
s2突然変異体植物のための***組織収集、RNA抽出、及びライブラリー作製を、既に記載されるように行った(Park et al.,2012)。簡潔に述べると、苗シュートを、***組織成熟の栄養期***組織(VM)、転換期***組織(TM)、仮軸花序***組織(SIM)、及び花芽***組織(FM)段階において収集し、それらを直ちに氷冷アセトン中で固定した。***組織を、ステレオスコープを用いて手作業で切開し、独立した植物からの30〜50の***組織からなる2つの生物学的複製物を生成した。全RNAを、PicoPure RNA Extraction kit(Arcturus)を用いて抽出し、mRNAを、Dynabeads mRNA Purification kits(Thermo Fisher)を用いて精製した。バーコード付きライブラリーを、製造業者の指示にしたがって、Illumina用のNEBNext Ultra RNA library prep kitを用いて作製し、Bioanalyzer 2100(Agilent)及びKapa Library quantification kit(Kapa Biosystems)をそれぞれ用いて、サイズ分布及び濃度について評価した。ライブラリーを、Genome Center of Cold Spring Harbor Laboratories(Cold Spring Harbor)で単一のIllumina Hiseq 2500レーン(222,279,510百万ペアエンドリード)においてシーケンシングした。
野生型トマト栽培品種M82、複合花序(s)突然変異体について以前に収集されたリード(Lemmon et al.,2016;Park et al.,2012)、及びs2突然変異体についてのリードを、Trimmomatic(Bolger et al.,2014b)を用いて、クオリティによってトリムし、Tophat2(Kim et al.,2013)を用いて、トマト(SL2.50)(Consortium,2012)の参照ゲノム配列に対してアライメントした。アライメントを、samtools(Li et al.,2009)を用いてソートし、HTSeq−count(Anders et al.,2015)を用いて、参照のアノテーションされた遺伝子特徴(ITAG2.4)に対してアライメントされた固有のリードペアとして遺伝子発現を定量した。
遺伝子発現の全ての統計分析を、R(RTeam,2015)において行った。個々の遺伝子の発現が、百万当たりの転写産物(transcripts per million)(TPM)として示される。野生型トマト栽培品種M82における***組織段階間の有意な差次的発現が、2倍変化、平均1CPM、及びFDR≦0.10カットオフ(Lemmon et al.,2016)を用いて、edgeR(Robinson et al.,2009)により2,582の遺伝子について確認された。主成分分析(PCA)によって発現動態を比較するために、生のカウントのzスコア正規化を、遺伝子型内で使用して、異なるシーケンシング長さ(50bp対100bp)及びプラットフォーム(GAIIx及びHiSeq2500)の影響を最小限に抑えた。PCAを、Rのprcomp関数(RTeam,2015)を用いて、野生型トマト栽培品種M82、s、及びs2における2,582の動的遺伝子についての正規化された発現値に対して行った。次に、最初の2つの主成分をプロットして、突然変異体試料における***組織成熟プロセスの加速又は遅延を評価した。中程度に及び重度に遅延した発現を有するTM及びFMマーカー遺伝子の割合を、2ステップk平均クラスタリングによって評価した。まず、正規化されたWT発現を、12のクラスターに分け、最も特異的なTM及びFM発現を有する2つのクラスターを、マーカーとして示した。TM及びFMマーカー遺伝子からの突然変異体発現を、WTを用いて正規化し、WT:s及びWT:s2正規化発現データセットを生成した。最後に、k平均クラスタリング(12のクラスター)を、s及びs2正規化発現のみに対して行い、WTと比較して活性化の遅延を有するクラスターを、手作業で特定した。
シーケンシングによるマッピング
s2突然変異体における原因突然変異をマッピングするために、s2をS.リコペルシカム(S.lycopersicum)栽培品種M82と、及びs2をS.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)と交配させることによって、2つの第2世代(F)集団を産生した。合計で464のs2×M82 F植物から、25のs2突然変異体、20のj2突然変異体、及び13のWT同胞種を、組織収集、核単離、及びDNA抽出のために選択した。各植物からの等量の組織(約0.2g)を、標準的なプロトコルを用いてDNA抽出のためにプールした。ライブラリーを、550bpの挿入サイズにせん断された2μgのゲノムDNAから、Illumina TruSeq DNA PCR−free prep kitを用いて作製した。合計で576のs2×S.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)F植物から、16のs2突然変異体、9のj2突然変異体、及び13の野生型同胞種を、DNA抽出のために選択した。DNAはまた、s2親(LA4371)から抽出した。ライブラリーを、550bpの挿入サイズにせん断された200ngのゲノムDNAから、Illumina TruSeq Nano DNA prep kitを用いて作製し、8サイクルの最終的な増幅を行った。全てのDNAライブラリーを、Cold Spring Harbor Laboratory Genome Center(Woodbury,NY)でIllumina NextSeqプラットフォームにおいてシーケンシングした。s2×M82 F集団について、62,317,992、73,496,741、及び79,699,274のペアエンド151−bpリードが、それぞれs2突然変異体、j2突然変異体、及びWT同胞種試料について得られた。s2×S.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)F集団について、32,979,728、82,439,796、及び50,763,441のペアエンド151−bpリードが、それぞれs2、j2、及びWT同胞種のプールについて得られた。s2親について、48,281,689のペアエンド151−bpリードが得られた。
lin突然変異体における原因突然変異をマッピングするために、lin突然変異体をS.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)と交配させることによって、F集団を産生した。合計で216のF植物から、最も強く分枝した花序を有する8つのlin突然変異体植物、及び17のWT同胞種を、組織収集のために選択した。各植物からの等量の組織(約0.2g)を、標準的なプロトコルを用いて核単離及びDNA抽出のためにプールした。バーコード付きライブラリーを、550bpの挿入サイズにせん断された2μgのゲノムDNAから、Illumina TruSeq DNA PCR−free prep kitを用いて作製し、上記のようにシーケンシングした。4,624,816及び5,063,861のペアエンド101−bpリードが、それぞれlin突然変異体及びWT同胞種プールについて得られた。lin突然変異を発見するために、7lin×S.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)F突然変異体植物のプールを、Illumina HiSeq2500プラットフォームにおいて再度シーケンシングし、さらなる161,827,433のペアエンド101−bpリードが得られた。
S.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)におけるs2抑制遺伝子座をマッピングするために、1,536のS.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)×s2F植物を再度成長させ、92のホモ接合型j2TE ej2二重突然変異体を、PCR遺伝子型決定によって選択した。プライマーが、表2に列挙される。18のs2突然変異体、6つの中程度に抑制されたs2突然変異体、及び2つの強く抑制されたs2突然変異体を、組織収集、核単離、及びDNA抽出のために選択した。ライブラリーを、550bpの挿入サイズにせん断された2μgのゲノムDNAから、Illumina TruSeq DNA PCR−free prep kitを用いて作製し、上記のようにシーケンシングした。38,060,212、38,044,727及び52,426,078のペアエンド151−bpリードが、それぞれs2、中程度に抑制されたs2、及び強く抑制されたs2植物のプールについて得られた。
ゲノムDNAリードを、Trimmomaticを用いて、クオリティによってトリムし、ペアリードを、BWA−MEM(Li,2013;Li and Durbin,2009)を用いて参照トマトゲノム(SL2.50)に対してマッピングした。次に、アライメントを、samtoolsを用いてソートし、PicardTools(Li et al.,2009,broadinstitute.github.io/picard)で複製物に印を付けた。SNPを、参照M82(Bolger et al.,2014a)及びS.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)(Consortium,2012)リードに加えてこのプロジェクトからの様々なゲノムDNAシーケンシングプールについて、リードアライメントを用いてsamtools/bcftools(Li,2011;Li et al.,2009)でコーリングした。次に、bcftools(Li,2011)を用いて、コーリングされたインデルから少なくとも100bpの二対立遺伝子高品質SNPについて、コーリングされたSNPをフィルタリングした。リードアライメント及びSNPコーリングの後、全ての統計及び計算を、R(RTeam,2015)において行った。1Mbのスライディングウィンドウ(100kbによる)内の分離二対立遺伝子SNPにおける各対立遺伝子のリード深さを、様々な突然変異体(s2、j2TE、又はs2の抑制)並びに野生型シーケンシングプールについて合計し、突然変異体:非突然変異体SNP比を計算した。最後に、突然変異体SNP比を、野生型SNP比(+0.5)で除算し、12トマト染色体にわたってプロットした。
組織収集及びRNA抽出
半定量的RT−PCRのために、種子を、完全な暗所で、28℃で、湿らせたワットマン紙上で発芽させた。類似した発芽段階の苗を、72セルプラスチックフラット中の土壌に移し、温室内で成長させた。茎頂を、***組織成熟(Park et al.,2012)の花芽***組織(FM)段階において収集し、液体窒素中で直ちに急速冷凍した。製造業者の指示にしたがって、全RNAを、RNeasy Plant Mini Kit(Qiagen)を用いて抽出し、RNase Free DNase Set(Qiagen)、又はArcturus PicoPure RNA Extraction kit(Thermo Fisher)で処理した。100ng〜1μgの全RNAを、SuperScript III First−Strand Synthesis System(Invitrogen)を用いてcDNA合成に使用した。全てのプライマー配列が、表2中に見られる。
系統発生解析及び配列解析
トマト及びシロイヌナズナ属(Arabidopsis)SEPファミリーメンバーの配列を、Phytozome v11データベース(phytozome.net)から入手し、MEGAにおけるClustalW関数を用いてアライメントした。1,000のブートストラップ複製を有するタンパク質の系統樹を、MEGA6(Tamura et al.,2013)における最大尤度法を用いて構築した。シロイヌナズナ属(Arabidopsis)SEP1/2、SEP3、及びSEP4を含むクレード中の相同タンパク質を、それぞれSEP1/2−、SEP3−、及びSEP4−ホモログとして割り当てた。
EJ2及びFW3.2間の連鎖を解析するために、公開されたゲノムシーケンシングデータ(Lin et al.,2014;Tieman et al.,2017)を用いて、トマトコアコレクションの系統における位置SL2.50ch03:64799226(Chakrabarti et al.,2013)(S.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)(FW3.2)におけるG及びS.リコペルシカム(S.lycopersicum)cv.M82(fw3.2)におけるA)において、M9 SNPを遺伝子型決定した。
CRISPR/Cas9突然変異生成、植物形質転換、及び突然変異対立遺伝子の選択
CRISPR/Cas9突然変異生成及びトランスジェニック植物の産生を、標準的なプロトコル(Belhaj et al.,2013;Brooks et al.,2014)にしたがって行った。簡潔に述べると、標的遺伝子のコード配列における2つのシングルガイド(sg)RNA結合を、CRISPR−P tool(cbi.hzau.edu.cn/cgi−bin/CRISPR)(Lei et al.,2014)を用いて設計した。ベクターを、Golden Gate cloning system(Werner et al.,2012)を用いてアセンブルした。sgRNA−1及びsgRNA−2を、それぞれレベル1アクセプタpICH47751及びpICH47761におけるシロイヌナズナ属(Arabidopsis)U6プロモーターの下流でクローニングした。レベル1構築物pICH47731−NOSpro::NPTII、pICH47742−35S:Cas9、pICH47751−AtU6pro:sgRNA−1、及びpICH47761−AtU6::sgRNA−2を、バイナリーイレベル2ベクターpAGM4723においてアセンブルした。15μlの制限−ライゲーション反応を、サーマルサイクラーにおいて行った(37℃で3分及び16°で4分を20サイクル、50℃で5分、80℃で5分、及び4℃で最終的な貯蔵)。全てのsgRNA配列が、表2中に列挙される。
最終的なバイナリーベクターを、アグロバクテリウム・ツメファシエンス(Agrobacterium tumefaciens)媒介形質転換(Gupta,S.and Van Eck,2016)によって、トマト栽培品種M82及びトマト野生種S.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)へと形質転換させた。インビトロ再生の後、培養培地を、根系から洗浄し、植物を土壌に移した。順化のために、植物を、透明なプラスチックドームで覆い、5日間にわたって日陰に保った。合計で8つの第1世代(T)トランスジェニックを、sgRNA標的部位に隣接するフォワード及びリバースプライマーを用いて、誘導された病変について遺伝子型決定した。PCR産物を、アガロースゲル上で分離し、選択された産物を、pSC−A−amp/kanベクター(StrataClone Blunt PCR Cloning Kit,Stratagene)へとクローニングした。PCR産物当たり少なくとも6つのクローンを、M13−F及びM13−Rプライマーを用いてシーケンシングした。病変を有するT植物を、野生型に戻し交配し、望ましい大きい欠失の対立遺伝子、並びに35Sプロモーターの3’及びCas9導入遺伝子の5’にそれぞれ結合するプライマーを用いて、CRISPR/Cas9導入遺伝子の存在/非存在についてF世代を遺伝子型決定した。全てのプライマーが、表2中に列挙される。操作された欠失対立遺伝子に対してヘテロ接合型であり、導入遺伝子を欠く植物を、F世代からホモ接合型の非トランスジェニックヌル突然変異体を単離するために自家授粉させた。
チェリートマト育種のための親及び交配種系統の産生並びに農業温室条件下での収量試験
フレッシュマーケット(fresh−market)トマト育種のためのj2 ej2及びs遺伝子型の可能性を試験するために、ある範囲の果実形状(Dani Zamir)を有する高収量の無限花序のチェリートマト栽培品種を育種するために生育された育種集団から単離された準同質遺伝子系統を交配させることによって、交配種を産生した。遺伝子型に応じて、それぞれのチェリー親(BC)に1回戻し勾配した後、3世代(F)のために近親交配するか、又は3〜6世代(F〜F)のために近親交配することによって、準同質遺伝子系統を産生した。果実形状、花序タイプ、及び収量特性を評価し、各世代を選択した。親及び交配種系統当たり10の複製植物を、2017年にHatzav(Israel)のネットハウスにおいて無作為化された区画設計(randomized plot design)で成長させた。損傷した又は罹病した植物に、シーズンを通して印を付け、それを分析から除外した。
j2 ej2交配種実験
EJ2(j2 EJ2)のための節なしの(j2TE)加工用近交系(F)野生型を、試験及び対照交配種を産生するための親(P−6022)として用いた。試験親を、ej2について分離した節なし(j2TE)チェリー近交系集団(BC)から単離した。2つのj2TE親(P−6086−2及びP−6086−9)及び2つのj2TE ej2親(P−6086−4及びP−6086−8)を、ej2遺伝子型決定によって選択し、P−6022と交配させた。j2TE 試験親(試験−1についてはP−6086−2及び試験−2についてはP−6086−9)を、j2TE親(P−6022)と交配させることによって、対照交配種を産生した。j2TE ej2試験親(試験−1についてはP−6086−4及び試験−2についてはP−6086−8)を、j2TE親(P−6022)と混合交配させることによって、試験交配種を産生した。
s交配種実験
無限花序のカクテル用近交系(F)及び有限花序のチェリー近交系(F)を、試験及び対照交配種を産生するための親(それぞれP−6097及びP−6105)として用いた。試験親を、s突然変異を分離した無限花序のチェリー型F近交系系統から単離した。S(P−6089)のための1つの親野生型及び1つのs突然変異体親(P−6090)を、表現型解析によって選択し、自家受精させた。F世代が、非分枝(P−6089)及び複合花序(P−6090)について安定していた。S親(試験−1についてはP−6097及び試験−2についてはP−6105)を、それぞれS(P−6089)及びs(P−6090)試験親と混合交配させることによって、対照及び試験交配種を産生した。
収量構成要素形質の分析のために、緑熟果(MG)及び赤熟果(MR)を、6つの後続の個々の花序から収集し、花序当たりのMG果実数(MGFN)、MR果実数(MRFN)、MG果実重量(MGFW)、及びMR果実重量(MRFW)を決定した。総果実数(TFN)は、各植物からのMGFN及びMRFNの合計であった。総収量(TY)は、各植物からのMGFW及びMRFWの合計であった。平均果実重量(FW)を、MRFWをMRFNで除算することによって計算した。各植物から、少なくとも1つの花序から7〜10個の果実を無作為に選択して、果汁中の総可溶性糖含量(ブリックス)を決定した。ブリックス値(パーセント)を、デジタルブリックス屈折計(ATAGO Palette)により定量した。各測定された収量パラメータについて、平均値及び対照交配種に対するパーセンテージ差を、両側2標本t検定を用いて統計的に比較した。
定量及び統計分析
サンプリング
花序当たりの花数及び花序節間長さの定量分析のために、遺伝子型当たり少なくとも10の花序を分析した。花序複雑性の定量分析のために、遺伝子型当たり、6つの個々の複製植物からそれぞれ少なくとも5つの花序を分析した。相対萼片長さの定量分析のために、遺伝子型又は生態型当たり少なくとも10個の花を分析した。交配種花序形質(花序当たりの分枝事象の数、植物当たりの枝及び花の総数)を、個々の植物当たり6つの後続の花序及び交配種系統当たり9〜10の個々の植物について決定した。個々の植物当たりの緑熟果及び赤熟果の総数を、植物当たり6つの後続の花序及び交配種系統当たり9〜10の個々の植物から決定した。個体の正確な数(N)が、全ての図に示される。統計的計算を、R及びMicrosoft Excelを用いて行った。各測定されたパラメータの平均値を、両側2標本スチューデントt検定を用いて比較した。
トランスクリプトーム定量
野生型M82、複合花序(s)突然変異体(Lemmon et al.,2016;Park et al.,2012)、及びs2突然変異体についてのリードを、Trimmomatic v0.32(HiSeq2500パラメータ:ILLUMINACLIP:TruSeq3−PE−2.fa:2:40:15:1:FALSE LEADING:3 TRAILING:3 SLIDINGWINDOW:4:15 MINLEN:36;GAIIxパラメータ:ILLUMINACLIP:TruSeq2−PE.fa:2:30:10:1:FALSE LEADING:3 TRAILING:3 SLIDINGWINDOW:4:15 MINLEN:36 TOPHRED33)(Bolger et al.,2014b)を用いて、クオリティによってトリムし、Tophat2 v2.0.127(パラメータ:−−b2−very−sensitive−−read−mismatches 2−−read−edit−dist 2−−min−anchor 8−−splice−mismatches 0−−min−intron−length 50−−max−intron−length 50000−−max−multihits 20)(Kim et al.,2013)を用いて、トマト(SL2.50)(Consortium,2012)の参照ゲノム配列に対してアライメントした。アライメントを、samtools(Li et al.,2009)を用いてソートし、HTSeq−count v0.6.08(パラメータ:−−format=bam−−order=name−−stranded=no−−type=exon−−idattr=Parent)(Anders et al.,2015)を用いて、参照のアノテーションされた遺伝子特徴(ITAG2.4)に対してアライメントされた固有のリードペアとして遺伝子発現を定量した。
遺伝子発現の全ての統計分析を、R(RTeam,2015)において行った。野生型M82における***組織段階間の有意な差次的発現が、2倍変化、平均1CPM、及びFDR≦0.10カットオフ(Lemmon et al.,2016)を用いて、edgeR(Robinson et al.,2009)により2,582の遺伝子について確認された。遺伝子型間の発現動態を比較するために、zスコア正規化を、遺伝子型内で使用して、異なるシーケンシング長さ(50bp対100bp)及びプラットフォーム(GAIIx及びHiSeq2500)の影響を最小限に抑えた。主成分分析(PCA)を、Rのprcomp関数(RTeam,2015)を用いて、野生型M82、s、及びs2を含む2,582の動的遺伝子についてのこれらの正規化された発現値に対して行った。次に、最初の2つの主成分をプロットして、突然変異体試料における改良された成熟スケジュールを評価した。中程度に及び強く遅延した発現を有するTM及びFMマーカー遺伝子の割合を、2ステップk平均クラスタリングによって評価した。まず、WT発現(TPM)を、zスコア正規化し、RにおけるMfuzzパッケージ(Futschik,2015)からのk平均2関数を用いて、12の群に分けた。最も特異的なTM及びFM発現を有する2つのクラスター(それぞれクラスター06及び08;図8A)を、マーカークラスターとして示した。277のTM及び241のFMマーカー遺伝子からの突然変異体s及びs2発現(TPM)を、WT発現を用いてzスコア正規化して、WT:s正規化発現及びWT:s2正規化発現データセットを生成した。最後に、k平均クラスタリング(12のクラスター)を、s(図8B)及びs2(図8C)発現のみ(WT発現レベルによって正規化された)に対して行い、WTと比較して活性化の中程度及び重度の遅延を有するクラスターを、手作業で特定した。
マッピング
様々な突然変異体のシーケンシングによるマッピングのために、リードを、Trimmomatic v0.32(HiSeq 2500リードパラメータ:ILLUMINACLIP:TruSeq3−PE−2.fa:2:40:15:1:FALSE LEADING:3 TRAILING:3 SLIDINGWINDOW:4:15 MINLEN:36;GAIIxリードパラメータ:ILLUMINACLIP:TruSeq2−PE.fa:2:30:10:1:FALSE LEADING:3 TRAILING:3 SLIDINGWINDOW:4:15 MINLEN:36 TOPHRED33)を用いて、クオリティによってトリムし、ペアリードを、BWA−MEM v0.7.10−r789(パラメータ:−M)(Li,2013)を用いて、参照トマトゲノム(SL2.50)に対してマッピングした。次に、アライメントを、samtoolsを用いてソートし、PicardTools v1.126(パラメータ:VALIDATION_STRINGENCY=LENIENT)(Li et al.,2009,broadinstitute.github.io/picard)で複製物に印を付けた。SNPを、参照M82(Bolger et al.,2014a)及びS.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)(Consortium,2012)リードに加えてこのプロジェクトからの様々なシーケンシングプールについて、リードアライメントを用いてsamtools/bcftools v1.3.1(samtools mpileupパラメータ:−−ignore−RG−−max−depth 1000000−−output−tags DP,AN−−min−BQ 0−−no−BAQ−−uncompressed−−BCF;bcftools callパラメータ:−−multiallelic−caller−−variants−only−−output−type z)(Li、2011;Li et al.,2009)でコーリングした。次に、bcftools(Li,2011)を用いて、コーリングされたインデルから少なくとも100bpの二対立遺伝子高品質(MQ≧50)SNPについて、コーリングされたSNPをフィルタリングした。リードアライメント及びSNPコーリング及びフィルタリングの後、全てのマッピング統計及び計算を、R(RTeam,2015)を用いて行った。1Mbのスライディングウィンドウ(100kbによる)内の分離二対立遺伝子SNPにおける各対立遺伝子のリード深さを、様々な突然変異体(lin、s2、j2、s2の抑制)並びに野生型シーケンシングプールについて合計し、突然変異体:非突然変異体SNP比を計算した。最後に、突然変異体SNP比を、野生型SNP比(+0.5)で除算し、トマトゲノムにわたってプロットした。
データ及びソフトウェア可用性
この試験において生成された生のシーケンシングリードは、BioProject SRP100435下で、Sequence Read Archive(ncbi.nlm.nih.gov/sra)にデポジットした。トマトコアコレクション(例えば、unity.phenome−networks.comを参照されたい)のため、CRISPR設計(例えば、cbi.hzau.edu.cn/cgi−bin/CRISPRを参照されたい)のため、配列検索(例えば、phytozome.jgi.doe.gov/を参照されたい)のため、及びデータデポジション(例えば、ncbi.nlm.nih.gov/sraを参照されたい)のためのさらなる資源も、当業者に入手可能である。
結果
s2変異型は、分枝した花序及び節なしの小花柄を有する花を産生する
トマト花序の改良についての課題を検証するために、4,193の野生及び栽培化系統のコアコレクションを、単一の枝に沿って配置された複数の花の典型的な花序構造からの逸脱についてスクリーニングした(図1A)(unity.phenome−networks.com,STAR Methodsを参照)。全てが遺伝子複合花序を欠いた23の極めて分枝した系統が、以前に報告された(S、シロイヌナズナ属(Arabidopsis)WUSCHEL−RELATED HOMEOBOX 9、WOX9のホモログ)(図1B)(Lippman et al.,2008)。しかしながら、より低頻度で分枝し、また、「節」として知られている花の茎(小花柄)上の離層帯を欠いたsに対する対立遺伝子でない3つの希少な変異型も発見された(図1C、1D、及び7A〜7F)。他の遺伝資源供給源の探求により、X線突然変異生成から誘導される1つのさらなる分枝した節なし突然変異体が提供された(図7C及び7F)(Stubbe,1972)。全ての4つの系統間の交配は、補完できなかった(図7G〜7I)。したがって、これらの系統は、まとめて複合花序2(s2)と命名された。
1つのs2系統を、参照(LA4371)として示し、sを有するより高次の突然変異体の分析は、相加的な遺伝的関係を示し、これは、s2の根底にある遺伝子(s)が、S遺伝子と別々に機能することを示す(図1C及び7J)。s s2植物の産生中、s2が約1/16の比率で分離したことが示され(図1E)、これは、2つの非連鎖劣性突然変異が、s2表現型の根底にあることを示唆している。これと一致して、節なしの植物(非分枝及び分枝された)は、単一の劣性突然変異として分離した。この節なしの形質は、50年前に報告された2つの古典的なジョイントレス−2(jointless−2)(j2)突然変異体と類似していた。元のj2は、ガラパゴス島からの非分枝の野生トマト種S.チースマニアエ(S.cheesmaniae)において発見された(Rick,1956a)。第2の対立遺伝子が、圃場で自然発生したが、この突然変異はまた、栽培化された遺伝資源とのエピスタシス相互作用に起因する過剰な花の生産及び不十分な着果を引き起こす花序分枝に関連付けられた(Reynard,1961;Rick,1956b)。育種家は、非分枝のj2を選択し、それを用いたが、これは、それが果実落下を減少させ、良好な着果を維持しながら、加工用トマトの大規模な機械収穫を可能にしたためである(Robinson,1980;Zahara and Scheuerman,1988)。特に、s2の節なしの表現型は、j2(図7K)に対する対立遺伝子であり、正常な小花柄を有するs2植物は見られず、これは、分枝がj2突然変異を必要としたことを示唆している。したがって、第2の遺伝子座が、エンハンサー・オブ・ジョイントレス2(enhancer−of−jointless2)(ej2)と示される。
s2分枝の発生の基礎をより十分に理解するために、早期の花序発達中の***組織成熟の段階を調べた。トマト花序は、仮軸成長計画(Park et al.,2014a)にしたがって発達し、ここで、各栄養期***組織が転換期***組織(TM)へと成熟し、花序の第1の花を産生する花芽***組織(FM)において終了する。さらなる花が、分化した腋花(仮軸)花序***組織(SIM)の反復形成から生じ、多花性の花序をもたらす(図1F)。s突然変異体において、TM及びSIM成熟の両方が重度に遅延して、複数のSIMが各サイクルで形成されるのを可能にした(図1G)(Lippman et al.,2008;Park et al.,2012)。さらなるSIMはまた、s2植物において形成されるが、sにおけるより少ない(図1H)。s2の成熟が遅延したかどうかを決定するために、RNA−seqを、連続s2***組織成熟段階において実施し、トランスクリプトーム動態を、s及びWTについての既存の成熟プロファイルと比較した(STAR Methodsを参照)(Park et al.,2012)。2,582の成熟マーカー遺伝子(Lemmon et al.,2016)を用いた主成分分析(PCA)は、より少ないTM及びFMマーカー遺伝子が、sと比較してs2***組織成熟中に遅延されたことを示し、これは、s2花序におけるより少ない分枝と一致していた(図1I〜1K及び8)。
2つの関連するMADSボックス遺伝子における突然変異が、s2分枝を引き起こす
j2突然変異体を、12番染色体のセントロメアに対して予めマッピングしたが、不十分な組み換えが、関与する遺伝子の同定を防いだ(Budiman et al.,2004;Yang et al.,2005)。j2及びej2の根底にある遺伝子をクローニングするために、s2を、節のある(J2/J2)栽培品種M82及びトマトの野生原種、S.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)と交配させることによって、2つのF集団を産生した。種内のF集団において、s2植物が、約1/16の予測される比率で分離したが、この分離は、S.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)集団より大幅に低く、これは、不明の修飾遺伝子座がs2分枝を抑制し得ることを示唆している(図9A〜9C)。j2及びej2を同時にマッピングするために、ゲノムシーケンシングを、s2、j2、及びWT F分離植物からのDNAのプールにおいて行った(STAR Methodsを参照)。両方の集団におけるs2及びWTプール間のSNP比を比較することにより、s2親からのSNPに対する強い偏りにより、3番染色体の下部及び12番染色体のセントロメアの近くの領域が示された(図2A、9D、及び9E)。s2及びj2間のSNP比は、3番染色体の下部のみに偏りを示した。これらの結果により、j2が12番染色体セントロメアの近くに位置することが確認され、ej2が3番染色体上にあることが示された。
MADSボックス転写因子は、トマトにおける小花柄離層帯発生に寄与することが知られている(Liu et al.,2014;Mao et al.,2000;Nakano et al.,2012;Shalit et al.,2009)。ジョイントレス1(jointless1)突然変異体(j1)を、11番染色体に対してマッピングし、シロイヌナズナ属(Arabidopsis)MADSボックス開花調節因子SHORT VEGETATIVE PHASE(SVP)のホモログにおいて突然変異したことが分かった(Hartmann et al.,2000;Mao et al.,2000)。したがって、MADSボックス遺伝子についての約6Mbpのj2マッピング間隔を調べ、この領域における164の遺伝子の中で、1つのみの候補、Solyc12g038510、シロイヌナズナ属(Arabidopsis)花器官決定MADSボックス遺伝子SEPALLATA4(SEP4)のホモログが発見された(図2B)(Ditta et al.,2004)。Solyc12g038510の以前の転写サイレンシングは、節なしの小花柄をもたらしたが、Solyc12g038510及びJ2が異なる遺伝子であることが示唆されており、これは、公開されたj2マッピング間隔が、おそらく不確かなセントロメアマーカー分解能(centromeric marker resolution)から、Solyc12g038510に一致しなかったためである(Budiman et al.,2004;Liu et al.,2014)。しかしながら、s2及びj2突然変異体のゲノムシーケンシングが、WT中に存在しないSolyc12g038510の第1イントロンにおけるCopia/Rider型転位因子(TE)を明らかにした(図2C)。さらに、s2 RNA−seqは、ほとんどのSolyc12g038510転写産物が第1イントロンから開始し、早期のナンセンス突然変異をもたらすことを示した(図2D及び9H)。Solyc12g038510がJ2であることを確認するために、CRISPR/Cas9を用いて、機能喪失型突然変異を操作し、得られたj2CR植物は、節なしの非分枝の花序を発生させた(図2E及び2F)。さらに、j2CRをs2由来j2と交配させたことによる子孫は、節なし及び非分枝の花序を有しており(図2G)、元のj2 S.チースマニアエ(S.cheesmaniae)系統におけるSolyc12g038510のシーケンシングは、早期の終止コドンを示した(図9F〜9H)。したがって、SEP4遺伝子Solyc12g038510は、J2であり、2つの天然突然変異が、独立して生じた(以後、j2TE及びj2stopと示される)(Reynard,1961;Rick,1956a)。
j2及びej2の両方が、s2分枝に必要とされ、これは、根底にある遺伝子が、花器官決定を制御するシロイヌナズナ属(Arabidopsis)におけるSEP遺伝子と同様に、重複して機能することを示唆している(Ditta et al.,2004;Pelaz et al.,2000)。66の遺伝子が、MADSボックス遺伝子についての500kbpのej2マッピング間隔において検索され、直列に配列されたSolyc03g114830及びSolyc03g114840が見られた(図2H)。Solyc03g114830は、シロイヌナズナ属(Arabidopsis)FRUITFULLのホモログであり、この遺伝子の転写ノックダウンが、果実の熟成の欠陥を引き起こす(Bemer et al.,2012;Wang et al.,2014)。s2突然変異体のゲノムシーケンシングは、SNPをコードする又はコードしないSolyc03g114830、又は大きいインデルを示さず、s2果実は、正常に熟成した。対照的に、Solyc03g114840は、SEP4の別のホモログであり、564bpの挿入が、s2突然変異体の第5イントロンに見られ、これはWTでは存在しなかった(図2I)。特に、s2からのRNA−seqリードは、Solyc03g114840転写産物の3分の1がミススプライシングされたことを示し、これは、挿入が部分的な機能喪失を引き起こしたことを示唆している(図2J)。これを試験し、EJ2機能の強い喪失の表現型の結果を明らかにするために、新たな対立遺伝子が、CRISPR/Cas9で操作され、ej2CR花序が、非分枝であることが分かったが、萼片(花の最も外側の葉状の器官)が、非常に大きく、果実が洋ナシ型であった(図2K及び2L)。元のej2突然変異が花及び/又は果実の形態に影響を与えたかどうかを決定するために、ej2を、M82に戻し交配し、相対萼片長さ(萼片/花弁長さ比によって定義される)を測定した。特に、果実形状又はサイズの明らかな変化がなかった一方、ej2萼片は、WTより50%長いが、ej2CRより短く、これは、弱い対立遺伝子と一致していた(図2M、2N、及び9I)。重要なことには、ej2及びej2CRを交配させることによるF子孫の花も、長い萼片を発生させた。したがって、Solyc03g114840は、EJ2であり、天然ej2突然変異は、弱い機能喪失型対立遺伝子(以後、ej2と示される)である。
最後に、他のs2系統がj2及びej2の両方における突然変異を保有していたことが確認された。PCR遺伝子型決定は、1つを除いた全ての系統が、ej2及びj2TE又はj2stopのいずれかの二重突然変異体であったことを示した(図9J)。最後の系統は、ej2に対してホモ接合型であったが、J2は、増幅することができず、これは、X線突然変異生成から生じたことと一致していた(Stubbe,1972)。したがって、s2花序分枝の根底にある長期の***組織成熟は、重複して作用する2つのSEP MADSボックス遺伝子における突然変異によって引き起こされる。
ej2が、栽培化中に生じ、育種へのj2利用を妨げた
最近の育種計画において、節なし品種の価値は、果実落下及び加工用トマト産業のための機械収穫中の収穫後の損傷を減少させるそれらの可能性のため認識されてきた。しかしながら、j1を保有する植物は、少ない花を発生させた後に花序が栄養成長に戻ることにより収量が少ない(Butler,1936;Mao et al.,2000)。したがって、j2が、過去50年の育種にわたって広く好まれてきた。しかしながら、育種家は、おそらく、ej2による負のエピスタシスのため、j2を様々な栽培化バックグラウンドに導入する際の過剰な花序分枝及び低収量についての問題を抱えていることが多い(Robinson,1980)。ej2が育種へのj2利用をどの程度妨げるかを決定するために、568の野生及び栽培化系統を、トマトコアコレクションから遺伝子型決定し、半分以上が、ej2対立遺伝子に対してホモ接合型であることが分かった(図3A)。特に、ej2は、S.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)に含まれなかったが、初期栽培品種(ランドレース種)の40%が、突然変異に対してホモ接合型であり、パーセンテージは、栽培品種で2倍になった。最も重要なことには、ej2は、確認されたランドレース種のサブセット内を含め、長い萼片に強く関連しており(Blanca et al.,2015)、これは、栽培化中の選択を示唆している(図3B〜3E)。これの裏付けとして、ej2は、以前に報告された栽培化及び改良選択的スイープに近接している(<46Kbp)(Lin et al.,2014)。特に、ランドレース種においても発生する少ない果実重量QTL(fw3.2)は、EJ2に近接している(約85Kbp)(Chakrabarti et al.,2013;Zhang et al.,2012)。62のランドレース種の間で、系統が、ej2を保有するが、fw3.2を保有しないことが分かり(ej2/FW3.2:7%)、逆もまた同様であり(EJ2/fw3.2:9%)、これは、各突然変異対立遺伝子が、独立して発生し、おそらく栽培化において早期に組み合わされたことを示唆している。全ての栽培化系統が両方の対立遺伝子を保有しているわけではないことが分かり(ej2/FW3.2:2%;EJ2/fw3.2:11%,)、これは、両方の突然変異が、栽培化及び改良中に独立して伝えられたか、又は同時選択され、次に、育種によって後に分離されたことを示している。
ej2の早期の選択及び栽培化遺伝資源におけるその後の伝播に対する1つの説明は、より大きい萼片が、おそらくfw3.2により、果実サイズの増大と同時に選択された大きくなった萼を提供したことである。このような形質は、果実サイズ又は数自体を増加させることによって、改良された生産性について必ずしも選択されるわけではなく、代わりに、改良された果実支持、強い局所的な供給源組織、又は単純により大きい果実についての美的価値を提供することができた。ej2がより大きい果実の栽培化及び育種中に選択されたかどうかを決定するために、ej2対立遺伝子の頻度を、小さい「チェリー」トマト(<5g)から極めて大きい「ビーフステーキ」品種(>500g)に及ぶ5つの果実サイズを示す258の栽培品種において評価した。意外なことに、対立遺伝子の頻度は、果実サイズと共に増加し、古いエアルーム栽培品種の88%を含む、ほぼ全て(>90%)の大きい実のなる系統が、ej2に対してホモ接合型であった(Male,1999)。これらの結果は、j2が発見され、最近の育種に採用される前に、ej2対立遺伝子が、より大きい果実タイプにおいて既に広まっていたことを示す(図3F)。EJ2はまた、果実を発生させる際に発現され(図10A)、ej2CR果実が大きくなる(図2L)ため、ej2対立遺伝子が、特に、これらの形質に影響を与える他のQTL形質の存在下で、サイズ/形状及び/又は熟成などの他の果実形質に影響を与えることも可能である。
エリート育種遺伝資源が、j2TE及びej2の両方を保有するが、分枝が抑制される
ej2が、トマト遺伝資源において広まっており、j2がはるかに遅く発生したため、j2対立遺伝子のいずれかをほとんどの栽培品種に導入することは、望ましくない分枝及び低収量をもたらし得る。しかしながら、これらの悪影響を育種によって克服することができたことが報告された(Robinson,1980)。1つの可能性は、ej2が交配を通して分離されたことである。あるいは、育種家は、分枝の天然の抑制遺伝子を同定し、選択した。これを試験するために、153の非分枝の節のある及び節なしのエリート近交系及び交配種を、主要な種子会社及び一般の育種家から入手し(STAR Methodsを参照)、両方の突然変異について遺伝子型決定した。全ての節なし系統が、j2TEに対してホモ接合型であり、これは、栽培化遺伝資源において生じた対立遺伝子が育種に有利であったことを示す。加工用及びフレッシュマーケット生産用の新たなトマト品種は、別個の育種計画において発生されるため、j2TEが両方に用いられたかどうかが問われた。節なしの形質の価値は、加工用タイプの機械収穫について最も認識されており、これの裏付けとして、j2TE対立遺伝子が、採取された加工用系統の74%中に存在していた。あまり広まっていないが、j2TEは、フレッシュマーケット系統の34%でも見られ、これは、j2TEが、両方の育種計画において用いられ続けていることを示している。
意外なことに、加工用及びフレッシュマーケット系統の両方におけるj2TEホモ接合体の60%超がまた、ej2に対してホモ接合型であったことが分かり(図4A及び4B)、これは、抑制遺伝子が改良中に選択されたという仮説を裏付けている。これは、S.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)Fマッピング集団におけるs2の減少した分離を連想させた(図9B及び9C)。可能な抑制遺伝子座をマッピングするために、1,536のF植物を再度成長させ、92の植物が両方の突然変異に対してホモ接合型であり、24%が、様々な抑制度を示した(図4C)。ゲノムシーケンシングを用いて、1つの影響の大きい抑制遺伝子を、栽培化遺伝資源における以前に報告された抑制遺伝子と同じ領域における2番染色体のほぼ末端でマッピングした(図4D)(Robinson,1980)。しかしながら、ごく少ないパーセンテージのj2TE ej2植物が、非分枝の花序を示したことから考えると、育種遺伝資源からのさらなる抑制遺伝子が、関与する可能性が高く、これは、一緒に完全な抑制を達成するのに必要とされた。
3つの***組織発現SEP4遺伝子が、花序複雑性を調節する
s2分枝の根底にある負のエピスタシスの詳細な分析は、***組織成熟及び花序の発生を制御するように重複的に作用する2つのトマトSEP4遺伝子を明らかにした。これは、これらの遺伝子が、花序構造及び花の生産を調節するために他のトマトSEPファミリーメンバーとどの程度協働し、農業用途の可能性を有し得るかという問題につながった。シロイヌナズナ属(Arabidopsis)において、4つの重複SEP遺伝子のファミリーが、花器官決定を確立するために必要とされる(Ditta et al.,2004;Pelaz et al.,2000)。トマトは、6つのメンバーの拡大したSEPファミリーを有し(Consortium,2012)、タンパク質配列の系統発生分析は、シロイヌナズナ属(Arabidopsis)SEP1、2、及び3が、2つのトマトホモログ(Solyc05g015750/TM5及びSolyc02g089200/TM29)を有することを示した(図5A)。対照的に、SEP4の4つのホモログがあり、それらの中の1つが、RIPENING INHIBITOR(RIN)遺伝子である。RINにおける古典的な突然変異が、熟成を阻止し、果実を固いまま保ち、長期間かけて熟成させて、寿命を延ばすヘテロ接合型の量的効果のため、交配種育種において広く用いられる(Klee and Giovannoni,2011;Vrebalov et al.,2002)。
花序発生におけるトマトSEP遺伝子の個々の及び複合の役割を調べるために、発現パターンを、***組織成熟アトラス及び他の主要組織からのトランスクリプトームデータを用いてまず分析した(Consortium,2012;Park et al.,2012)。TM5及びTM29(SEP1/2/3ホモログ)の両方が、後になって生殖発生において発現され、花芽***組織から開始し、花及び果実へと広がり(図5B及び10A)、これは、花器官決定における以前に特徴付けられた役割を裏付けている(Ampomah−Dwamena et al.,2002;Pnueli et al.,1994)。RINは、果実のみにおいて発現され、これは、熟成におけるその役割に一致している(図10A)(Vrebalov et al.,2002)。対照的に、J2、EJ2、及び第4のSEP4ホモログ(Solyc04g005320)の発現は、***組織成熟のTM段階及びSIMにおいて、より早期に開始した(図5B)。これは、Solyc04g005320が、***組織成熟においてJ2及びEJ2と共に機能し得ることを示唆していた。さらに、シロイヌナズナ属(Arabidopsis)SEP重複性が、多量体タンパク質複合体の形成に基づいている(Theissen et al.,2016)と考えて、相互作用を、酵母ツーハイブリッドアッセイにおいて全ての4つのトマトSEP4タンパク質間で試験し、J2、EJ2、及びSolyc04g005320が、ホモマーEJ2を除いて、互いに及びそれ自体と互いに相互作用することが分かった。これらの結果は、以前の知見(Leseberg et al.,2008)を実証し、J2及びEJ2が互いに相互作用することをさらに示し、これは、***組織成熟及び花序構造の制御における重複性を裏付けている(図5C、5D、10B及び10C)。
Solyc04g005320が花序構造及び花の生産に寄与するかどうかを試験するために、CRISPR/Cas9を用いて、WTのほぼ2倍多い花及びより長い節間を有する非常に長い花序をもたらすヌル突然変異を有する植物を操作した(図5E及び10D)。花序発生の後期に弱い分枝がまた、多くの場合、観察された。長い花序を既に有する遺伝子型において同様の効果が生じるかどうかを、各花序における15〜20個の花を産生する、S.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)におけるSolyc04g005320を突然変異させることによって試験した。意外なことに、節間長さ及び花数は2倍になった(図5F、10D〜10F)。これらの表現型は、Solyc04g005320を含有する4番染色体における間隔に以前にマッピングされた長い花序(lin)と示されるガンマ線照射突然変異体を連想させた(図10G〜10J)(STAR Methodsを参照)。lin突然変異体からのSolyc04g005320のシーケンシングは、転写をなくす第1イントロンにおける転位を示し(図10J〜10L、本明細書においてlintransとも呼ばれる)、CRISPR対立遺伝子との交配は、長い花序表現型を補完できなかった。
lin突然変異体における花序複雑性の増大は、j2 ej2二重突然変異体と比較してわずかである。3つの遺伝子間の重複性及び可能な量的関係の程度を試験するために、強い対立遺伝子を、同じバックグラウンドに用いて、より高次の突然変異体の全ての組合せを作成した(STAR Methodsを参照)。j2CRは、主にlinと相加的であるが(図10M)、ej2CR及びlinは、花器官発生のために相乗作用を有し;二重突然変異体は、極めて大きくなった萼片を発生させるより多い花を有する長い花序を有していたが、内部花器官は、完全に発達せず、果実を形成できなかった(図10N)。予測されるように、j2CR及びej2CRも相乗作用を有したが、元のj2TE/stop ej2天然二重突然変異体(s2)の中程度に分枝した花の多い花序と異なり、j2CR ej2CR植物からの花序は、非常に多く分枝しており、正常な稔性花をほとんど産生しなかった(図5G)。最後に、全ての3つの突然変異体を組み合わせると、花を形成せずに大幅に過剰増殖したSIMが得られた(図5H及び10O)。同じ効果が、S.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)j2CR ej2CR linCR植物において観察された(図5I及び10O)。S.ピンピネリフォリウム(S.pimpinellifolium)j2CR ej2CR linCRの配列が以下に示される。したがって、J2及びEJ2は、花発生において異なる役割を有するが、全ての3つのSEP4遺伝子は、***組織成熟及び花序発生において重複した役割を有する。
***組織成熟転写因子の投与が、花序構造及び収量を改善するために利用され得る
J2、EJ2、及びLINにおける個々の及び複合の突然変異は、弱い(lin単一突然変異体)から極めて重度(j2 ej2 lin三重突然変異体)に及ぶ一連の3つの形態の増加した花序複雑性を提供し、これは、これらのSEP4遺伝子間の量的関係を示している。フロリゲン経路における遺伝子間の量的関係を利用して、ある定量範囲の植物構造を生成することができることが実証されており、これは、有限花序の圃場で生育されたトマトの向上した生産性につながる(Park et al.,2014b;Soyk et al.,2016)。量的感受性が、花序構造及び花の生産を微調整するのに同様に使用され得ることが理由付けられた。これを試験するために、j2の強い対立遺伝子と、同系M82バックグラウンドにおけるej2又はej2CRとの一連のホモ接合型及びヘテロ接合型組合せがまず生成された(図6A及び6B)。全ての二重ヘテロ接合体(例えばj2/+ej2/+;j2/+ej2CR/+)及びj2に対してヘテロ接合型であり、ej2に対してホモ接合型である植物(j2/+ej2)が、単一突然変異体のような非分枝の花序を産生した。対照的に、j2バックグラウンドにおけるej2のヘテロ接合性(j2 ej2/+)は、j2/+ej2CRと同様に、弱い分枝を与えた。特に、ヌルj2バックグラウンドにおけるヌルej2CR対立遺伝子に対するヘテロ接合性(j2 ej2CR/+)は、s2花序(j2 ej2)に一致する分枝をもたらし、これは、ej2が弱い対立遺伝子であることをさらに実証し、これらの遺伝子間の感受性の量的関係を確認する。これらの結果を考えると、他の***組織成熟調節因子が、花序構造に対して同様の量的感受性を有し得ることが理由付けられ、これを、WOXタンパク質ファミリーのメンバーであるSを用いて試験した(Graaff et al.,2009;Lippman et al.,2008)。実際に、3つのs突然変異対立遺伝子に対してヘテロ接合型の植物はまた、軽度に分枝し(図6C及び6D)、これは、独立した***組織成熟遺伝子の量的感受性が、花序構造の量的調整を可能にすることを実証している。
説明
用量依存的な量的変動、弱い対立遺伝子、及び作物改良
この試験は、生産性を向上させるための花序複雑性の自然変異の根底にある遺伝子及び対立遺伝子の可能性の調査を含んでいた。s2分枝変異型を分析することによって、トマトMADSボックス遺伝子のSEP4サブファミリーの複数のメンバーが、***組織成熟及び花序構造を調節するのに重要な重複した役割を果たすことが分かった。トマト栽培化に関与する第1のMADSボックスファミリーメンバーがさらに記載され、多様な作物の栽培化及び改良に寄与する際のこの転写因子ファミリーの増加する重要性を強調している(Singh et al.,2013;Vrebalov et al.,2002;Zhao et al.,2011)。***組織発現SEP4遺伝子間の相互作用を詳細に分析することによって、量的関係が、育種のための可能性を有するMADSボックス突然変異の一連の対立遺伝子間で明らかにされた。Sにおける突然変異を含むこの対立遺伝子群は、花序構造を操作するためのツールキットを含み、これは、現在、LINなどの、***組織成熟のさらなる調節因子に拡張され得る。これを実証するために、CRISPR/Cas9を用いて、エリートチェリートマト栽培品種Sweet 100におけるLINを標的にし、中程度に分枝した花序及び増加した花の生産を有する突然変異系統を産生した(図10P〜10S)。
主要な収量形質における望ましい表現型変異を生成するための本発明の手法は、特定のヘテロ接合型及びホモ接合型突然変異を組み合わせて、ある定量範囲の量的効果を得ることに依拠している(Park et al.,2014b)。しかしながら、遺伝子量を利用することは、量的形質修飾を与える弱い対立遺伝子の利用可能性によって制限され得る。例えば、より長い萼片及び弱い分枝が、ej2に対するホモ接合性及びヘテロ接合性のそれぞれからの様々なレベルの減少したEJ2量によって達成された。実際に、同様の量的効果が、転写制御領域における(例えば、シス−調節性DNAにおける)突然変異から生じることが多い。このような対立遺伝子は、有害な多面発現効果を示すことが多いヌル対立遺伝子と比較して、それらのわずかな表現型変化のため作物の栽培化及び改良において広く好まれている(Meyer and Purugganan,2013;Purugganan and Fuller,2009)。例えば、トマト栽培化中の果実サイズの増大は、古典的なCLAVATA−WUSCHEL幹細胞回路における複数の構成要素の転写対立遺伝子に部分的に依存していた(Xu et al.,2015)。探求されている新規な弱い対立遺伝子を操作するための潜在的に強力な手法(Swinnen et al.,2016)は、遺伝子編集技術を利用して、生産性遺伝子のシス−調節性制御領域を突然変異させることである。この試験において同定された有望な標的はLINである。減少したLIN発現を与える、CRISPR/Cas9に誘導される弱い転写対立遺伝子は、花の生産のわずかな増加を提供し得、これは、分枝が果実重量及び収量に悪影響を与えることが多い大きい実のなる品種において特に有益であり得る。特に、LINのコメホモログ及び他の***組織成熟遺伝子は、円錐花序構造及び穀物生産を制御し(Kobayashi et al.,2010,2012;Liu et al.,2013)、これは、本発明の知見が、広い農業的可能性を有することを示唆している。新たな遺伝子編集ツールが、多くの作物における広範囲の農学的形質を改良するために特殊化された遺伝子量効果を提供し得る多様なタイプ及び強度の対立遺伝子の操作を可能にするべきである。
進化、栽培化、及び育種におけるエピスタシス
育種の進歩は、主に、予測可能な相加効果を有する遺伝子座によって引き起こされる。例えば、トウモロコシの開花期変化の大部分は、何千もの小さい相加的な量的形質遺伝子座(QTL)によって決定され(Buckler et al.,2009)、同じことが、他の作物の形質にも当てはまる(Doust et al.,2014;Gao et al.,2015)。しかしながら、プラス及びマイナスの両方のエピスタシス相互作用も、特に、異なる遺伝資源と共に機能する場合、育種において重要である。例えば、コメにおける種間の量的形質遺伝子座(QTL)間の相互作用は、アルミニウム耐性を向上させ得るが(Famoso et al.,2011)、トマトにおける同じ収量形質に影響を与える複数の野生種由来QTLを合わせると、相加作用未満(less−than−additive)又は「収穫逓減(diminishing returns)」エピスタシスをもたらす(Eshed and Zamir,1996)。
近年、新たに進化した及び確立された対立遺伝子間の不調和(clash)、又は天然又は人工的な手段のいずれかによって異なるゲノムを合わせる際の不調和を含む、負のエピスタシスのいくつかの事例が、多様な生物において発生している。例としては、細菌及び酵母中の相互作用する対立遺伝子を組み合わせる際の適合性増加が損なわれること(Chou et al.,2011;Heck et al.,2006;Khan et al.,2011;Kvitek and Sherlock,2011)、シロイヌナズナ属(Arabidopsis)の異なる系統間の交配種壊死(Chae et al.,2014)、及び2つの共通の耐性変異が共に受け継がれる場合のヒトにおけるマラリヤからの保護の低下(Williams et al.,2005)が挙げられる。進化及び自然選択における負のエピスタシスと比較して、栽培化及び育種中に人によって課される強力な人為選択は、エピスタシスのより高頻度の発生を引き起こし得る。この試験において記載されるもののような劇的な事例が、調節因子による相互作用又は抑制に対する選択によって克服され得るが、ハイスループットの量的表現型解析プラットフォーム(フェノミクス)及びゲノムワイド関連研究(GWAS)の力が向上するまで検出及び詳細な分析が依然として難しい、よりわずかな表現型結果を有する、農業における多くの未知の負の相互作用が存在し得る。
s2分枝症候群の根底にある極端な負のエピスタシスのここでの詳細な分析は、次世代の作物育種のための過小評価されている課題を強調した。具体的には、急速に進歩している遺伝子編集技術を用いて、特定の遺伝子についての正確な新規な対立遺伝子変異を、既存の遺伝資源に導入することは、望ましい表現型の結果を提供しないことがあり、栽培化及び初期の育種中に選択及び安定化された対立遺伝子による相互作用のため、マイナスの結果をもたらす可能性がある(Mackay,2013)。2つの密接に関連したMADSボックス遺伝子に関与する負のエピスタシスのここでの例は、栽培化及び改良において既に役割を果たしている遺伝子ファミリー又は関連する発生経路における新たな対立遺伝子の操作が、予想外のエピスタシス結果に特に感受性であり得ることを示唆し、これは、おそらく、農業における負のエピスタシスのまだ特徴付けられていない他の例を説明する(Bomblies and Weigel,2007;Matsubara et al.,2015;Shang et al.,2016;Zhang et al.,2011)。負のエピスタシスを解明し、中和し、潜在的に利用することは、本発明の試験において行われるように、植物及び動物の両方の育種における生産性の障壁を破壊するのに役立つ大きな影響を与え得る。
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上記の説明から、当業者は、本開示の本質的な特徴を容易に確認することができ、本開示の趣旨及び範囲から逸脱せずに、様々な使用及び条件に本開示を適合させるために本開示の様々な変形及び変更を行うことができる。したがって、他の実施形態も、特許請求の範囲内に含まれる。

Claims (31)

  1. 突然変異体Solyc04g005320遺伝子又はそのホモログを含む遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物。
  2. 前記突然変異体Solyc04g005320遺伝子又はそのホモログが、ヌル対立遺伝子又は低次形態対立遺伝子である、請求項1に記載の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物。
  3. 前記遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物が、前記突然変異体Solyc04g005320遺伝子又はそのホモログに対してヘテロ接合型又はホモ接合型である、請求項1又は2に記載の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物。
  4. 前記遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物が、突然変異体Solyc12g038510遺伝子若しくはそのホモログ、突然変異体Solyc03g114840遺伝子若しくはそのホモログ、又は突然変異体Solyc12g038510遺伝子若しくはそのホモログ及び突然変異体Solyc03g114840遺伝子若しくはそのホモログの両方をさらに含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物。
  5. 前記植物が、突然変異体Solyc12g038510遺伝子又はそのホモログをさらに含み、前記突然変異体Solyc12g038510遺伝子又はそのホモログが、ヌル対立遺伝子又は低次形態対立遺伝子である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物。
  6. 前記遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物が、前記突然変異体Solyc12g038510遺伝子又はそのホモログに対してヘテロ接合型又はホモ接合型である、請求項5に記載の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物。
  7. 前記植物が、突然変異体Solyc03g114840遺伝子又はそのホモログをさらに含み、前記突然変異体Solyc03g114840遺伝子又はそのホモログが、ヌル対立遺伝子又は低次形態対立遺伝子である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物。
  8. 前記遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物が、前記突然変異体Solyc03g114840遺伝子又はそのホモログに対してヘテロ接合型又はホモ接合型である、請求項7に記載の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物。
  9. 前記植物が、突然変異体Solyc12g038510遺伝子又はそのホモログ及び突然変異体Solyc03g114840遺伝子又はそのホモログの両方をさらに含み、これらのそれぞれが、独立して、ヌル対立遺伝子又は低次形態対立遺伝子である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物。
  10. 前記遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物が、前記突然変異体Solyc12g038510遺伝子又はそのホモログに対してヘテロ接合型又はホモ接合型であり、前記突然変異体Solyc03g114840遺伝子又はそのホモログに対してヘテロ接合型又はホモ接合型である、請求項9に記載の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物。
  11. 前記遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物が、前記突然変異体Solyc04g005320遺伝子又はそのホモログ、前記突然変異体Solyc12g038510遺伝子又はそのホモログ、及び前記突然変異体Solyc03g114840遺伝子又はそのホモログを含み、それぞれが、低次形態対立遺伝子である、請求項1〜10のいずれか一項に記載の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物。
  12. 突然変異体Solyc12g038510遺伝子又はそのホモログ及び突然変異体Solyc03g114840遺伝子又はそのホモログを含む遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物であって、前記遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物が、前記突然変異体Solyc12g038510遺伝子又はそのホモログに対してホモ接合型であり、前記突然変異体Solyc03g114840遺伝子又はそのホモログに対してヘテロ接合型である、遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物。
  13. 前記突然変異体Solyc12g038510遺伝子又はそのホモログが、ヌル対立遺伝子又は低次形態対立遺伝子であり、前記突然変異体Solyc03g114840遺伝子又はそのホモログが、ヌル対立遺伝子又は低次形態対立遺伝子である、請求項12に記載の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物。
  14. 前記遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物が、トマト(ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum))植物である、請求項1〜13のいずれか一項に記載の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物。
  15. 前記突然変異体Solyc04g005320遺伝子若しくはそのホモログ、前記突然変異体Solyc12g038510遺伝子若しくはそのホモログ、及び/又は前記突然変異体Solyc03g114840遺伝子若しくはそのホモログが、技術的手段によって導入される、請求項1〜14のいずれか一項に記載の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物。
  16. 前記突然変異体Solyc04g005320遺伝子若しくはそのホモログ、前記突然変異体Solyc12g038510遺伝子若しくはそのホモログ、及び/又は前記突然変異体Solyc03g114840遺伝子若しくはそのホモログが、化学的又は物理的手段によって導入される、請求項1〜15のいずれか一項に記載の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物。
  17. 前記突然変異体Solyc04g005320遺伝子若しくはそのホモログ、前記突然変異体Solyc12g038510遺伝子若しくはそのホモログ、及び/又は前記突然変異体Solyc03g114840遺伝子若しくはそのホモログが、CRISPR/Cas9、化学的突然変異生成、放射線、アグロバクテリウム(Agrobacterium)媒介組み換え、ウイルスベクター媒介組み換え、又はトランスポゾン突然変異生成を用いて導入される、請求項16に記載の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物。
  18. 本質的に生物学的な方法のみによって得られた植物が除外されるという条件を有する、請求項1〜14のいずれか一項に記載の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物。
  19. 請求項1〜18のいずれか一項に記載の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物から収穫される作物。
  20. 請求項1〜18のいずれか一項に記載の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物を産生するための種子。
  21. 遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物を産生するための方法であって、突然変異を、ナス科(Solanaceae)植物中のSolyc04g005320遺伝子又はそのホモログに導入し、それによって、突然変異体Solyc04g005320遺伝子又はそのホモログを含有する遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物を産生することを含む、方法。
  22. 前記突然変異が、CRISPR/Cas9を用いて導入される、請求項21に記載の方法。
  23. 前記突然変異が、Solyc04g005320遺伝子又はそのホモログのヌル対立遺伝子又は低次形態対立遺伝子を産生する、請求項21又は22に記載の方法。
  24. 前記方法が、Solyc12g038510遺伝子又はそのホモログへの突然変異を前記ナス科(Solanaceae)植物に導入すること、突然変異をSolyc03g114840遺伝子又はそのホモログに導入すること、又は前記突然変異を前記Solyc12g038510遺伝子又はそのホモログに導入し、かつ前記突然変異を前記Solyc03g114840遺伝子又はそのホモログに導入することをさらに含む、請求項21〜23のいずれか一項に記載の方法。
  25. 前記突然変異が、CRISPR/Cas9を用いて導入される、請求項24に記載の方法。
  26. 前記突然変異体Solyc04g005320遺伝子若しくはそのホモログを含有する前記遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物が、突然変異体Solyc12g038510遺伝子若しくはそのホモログ、突然変異体Solyc03g114840遺伝子若しくはそのホモログ、又は前記突然変異体Solyc12g038510遺伝子若しくはそのホモログ及び前記突然変異体Solyc03g114840遺伝子若しくはそのホモログの両方を含む別の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物と交配され、それによって、前記突然変異体Solyc04g005320遺伝子若しくはそのホモログ及び前記突然変異体Solyc12g038510遺伝子若しくはそのホモログ、前記突然変異体Solyc03g114840遺伝子若しくはそのホモログ、又は前記突然変異体Solyc12g038510遺伝子若しくはそのホモログ及び前記突然変異体Solyc03g114840遺伝子若しくはそのホモログの両方を含有する遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物を産生する、請求項21〜23のいずれか一項に記載の方法。
  27. 前記遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物が、トマト(ソラヌム・リコペルシカム(Solanum lycopersicum))植物である、請求項21〜26のいずれか一項に記載の方法。
  28. 請求項21〜27のいずれか一項に記載の方法によって産生される又は得られる遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物。
  29. 前記突然変異体Solyc04g005320遺伝子又はそのホモログが、高次形態対立遺伝子である、請求項1〜18のいずれか一項に記載の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物。
  30. 前記遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物が、前記突然変異体Solyc04g005320遺伝子又はそのホモログに対してヘテロ接合型又はホモ接合型である、請求項29に記載の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物。
  31. 前記遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物が、突然変異体Solyc12g038510遺伝子若しくはそのホモログ、突然変異体Solyc03g114840遺伝子若しくはそのホモログ、又は前記突然変異体Solyc12g038510遺伝子若しくはそのホモログ及び前記突然変異体Solyc03g114840遺伝子若しくはそのホモログの両方をさらに含む、請求項1〜18、29又は30のいずれか一項に記載の遺伝子組み換えナス科(Solanaceae)植物。
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