プレスリリース
ダイズプロテオームデータベースを公開

- ダイズ生育初期の湿害発生に関与する遺伝子候補探索への強力なツールに -

情報公開日:2009年7月29日 (水曜日)

ポイント

  • ダイズの植物体のタンパク質を、生育時期別、部位別、細胞内小器官別に抽出・解析し、ダイズプロテオームデータベースとして公開しました。
  • このデータベースを用いることによって、ダイズ生育初期の湿害発生に関与する複数の遺伝子候補が特定できました。ダイズの湿害発生機構の解明研究に大きく貢献すると期待されます。

概 要

独立行政法人 農業・食品産業技術総合研究機構(略称:農研機構)作物研究所は、ダイズプロテオームデータベース(http://proteome.dc.affrc.go.jp/Soybean/)を構築し公開しました。
ダイズは、その95%を輸入に頼っており、国内生産の増大が求められています。一方で、我が国のダイズ生産の約85%を占める水田転換畑におけるダイズ栽培では、湿害が生産性低下の大きな要因となっており、耐湿性品種の開発が求められています。これまで、様々な要因が関与している耐湿性において、関与している遺伝子を探し出すことは非常に困難でしたが、タンパク質から遺伝子に迫る手法であるプロテオーム解析を用いることで、候補遺伝子を効率的に探索することができるようになりました。
今回公開したダイズプロテオームデータベースは、二次元電気泳動を基盤とした技術を用いて、ダイズの植物体のタンパク質を生育時期別、部位別、細胞内小器官別にカタログ化しており、個々のタンパク質の性質や、類似のタンパク質を簡単に検索できます。
このデータベースを用いて、生育初期に湿害を受けたダイズで増加・減少するタンパク質情報を検索したところ、複数の湿害発生に関与する遺伝子候補を特定することができました。これにより、ダイズの湿害発生機構の解明研究に大きく貢献すると期待されます。
この成果は「Journal of Proteome Research」に2報の論文として掲載されました。なお、ダイズプロテオームデータベースは、三菱スペース・ソフトウエア株式会社との共同研究により開発しました。


詳細情報

品種開発の背景と経緯

ダイズの消費量は穀類に次いで4番目で、油料用および豆腐や醤油などの食品用として利用されますが、その95%を輸入に頼っており国内生産の増大が求められています。ダイズの生産増大につながる水田転換畑におけるダイズの栽培では湿害が生産性低下の要因となっており、耐湿性ダイズ品種の開発が求められています。
品種開発の促進には耐湿性遺伝子の解明が重要な役割を果たします。イネなどの品種開発では、ゲノム情報を用いて目的遺伝子を特定し優れた個体を効率的に選抜すること(ゲノム育種)により、大きな成果を上げています。ダイズでも、近年ゲノム情報の解析が進んでいますが、耐湿性のように様々な要因が関与している形質では、未だに遺伝子配列や遺伝子発現の情報などから耐湿性遺伝子を特定することは困難です。
そこで、タンパク質から遺伝子に迫る手法であるプロテオーム解析を用いることにしました。この手法でダイズの植物体のタンパク質について、生育時期別、部位別、細胞内小器官別のデータベース(ダイズプロテオームデータベース)を構築し公開しました。そして、ダイズ生育初期の湿害発生に関与する遺伝子候補の特定のみならず、ダイズ研究の基盤情報として広く利用いただくことを目指しました。

 

研究の内容・意義

  • ダイズのさまざまな生育時期の各種器官(種子、根、胚軸、葉等)および細胞内小器官(細胞膜、細胞壁、葉緑体等)(図1)から抽出したタンパク質を二次元電気泳動し、各タンパク質スポットを精製し、プロティンシーケンサーあるいは質量分析計でアミノ酸配列を決定しました。
  • 二次元電気泳動上で分離した7,292個のタンパク質スポットのうち、既に500種類について分子量・等電点・発現量等の情報、さらに相同検索結果情報等をカタログ化して、データベースに収録しました(図2)。個々のタンパク質情報を検索することができ、さらに同じ情報を持ち他の生育時期の器官に存在するタンパク質を簡単な操作で探し出せます。
  • データベースに収録されているタンパク質を、遺伝子名等に関連するキーワードで検索でき、検索結果をわかりやすく表示できるブラウザを備えています。
  • さらに、生育初期に湿害時を受けた際に増加あるいは減少するタンパク質情報を収録しました。本データベースを用いてダイズ出芽期における湿害に関連するタンパク質群を検索すると、複数の遺伝子候補を特定できます(図3)。
  • ダイズプロテオームデータベースは、「http://proteome.dc.affrc.go.jp/Soybean/」のサイトで公開しています(図4)。
  • この成果は、2報の論文として「Journal of Proteome Research」に掲載されました。

図1.ダイズプロテオームデータベースには、ダイズの生育時期と器官(A)および細胞内小器官(B)別に発現しているタンパク質を収録しています。

図1.ダイズプロテオームデータベースには、ダイズの生育時期と器官(A)および細胞内小器官(B)別に発現しているタンパク質を収録しています。
図2.ダイズプロテオームデータベースに収録している二次元電気泳動像の一例 二次元電気泳動像上の個々のタンパク質スポットをクリックすると、分子量、等電点、発現量、相同検索の結果が見られます。 図2.ダイズプロテオームデータベースに収録している二次元電気泳動像の一例 二次元電気泳動像上の個々のタンパク質スポットをクリックすると、分子量、等電点、発現量、相同検索の結果が見られます。
図3.湿害関連タンパク質の検出の一例 冠水処理で変動するタンパク質群の発現を解析すると複数の遺伝子候補が特定できます。 図3.湿害関連タンパク質の検出の一例 冠水処理で変動するタンパク質群の発現を解析すると複数の遺伝子候補が特定できます。
図4.ダイズプロテオームデータベースはhttp://proteome.dc.affrc.go.jp/Soybean/のウエブサイトで公開しています 図4.ダイズプロテオームデータベースはhttp://proteome.dc.affrc.go.jp/Soybean/のウエブサイトで公開しています

発表論文
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Katsumi Sakata, Hajime Ohyanagi, Hiroya Nobori, Takuji Nakamura, Akiko Hashiguchi, Yohei Nanjo, Yoji Mikami, Harunobu Yunokawa, Setsuko Komatsu
Soyban Proteome Database: A data resource for plant differential omics.
Journal of Proteome Research, 2009, 8(7):3539-3548.
Akiko Hashiguchi, Katsumi Sakata, Setsuko Komatsu
Proteome analysis of early-stage soybean seedlings under flooding stress.
Journal of Proteome Research, 2009, 8(4):2058-2069.
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今後の予定・期待

  • ダイズプロテオームデータベースの英語版は、 「http://proteome.dc.affrc.go.jp/Soybean/」のサイトで公開し、定期的に更新していますが、日本のダイズ研究に大いに利用できるよう、日本語版も構築する計画です。
  • ダイズプロテオームデータベースは、ダイズの湿害発生機構に関与するタンパク質の検出のみならず、塩ストレスやオゾンストレス等に関与するタンパク質等、重要形質に関与するタンパク質の探索にも大いに役立つツールになると期待されます。

用語の解説

湿害
梅雨の長雨や水はけの悪い水田転換畑で作物を栽培する際に、土壌が過湿状態になると土壌中の酸素濃度の低下、土壌の還元化による有毒物質の生成等により植物が生育障害を受けることをいいます。

プロテオーム解析
プロテオームとはタンパク質(プロテイン)とゲノムを結びつけた造語で、ゲノムが一個の生物の持つ全ての遺伝情報を指すのに対し、プロテオームは、ある条件下に置かれた細胞内で発現している遺伝子群が作り出す全タンパク質のことを指します。ある生物機能が発現している植物の器官や細胞内小器官のタンパク質群を網羅的に解析し、機能性タンパク質の同定、翻訳後修飾解析や相互作用解析等のタンパク質解析を行うことで、生物機能の発現に関わる生命現象を総合的に理解する手法です。質量分析計とゲノム情報利用による相同検索で飛躍的に発展しました。

二次元電気泳動
タンパク質を分析する方法で、まず、等電点電気泳動で分離し(1次元目)、次にこれを分子量で分離します(2次元目)。非常に多種類のタンパク質を一度に分離できるため、プロテオーム解析に利用されます。この時に使用する等電点電気泳動とは、タンパク質が持つ固有の等電点(タンパク質のプラスとマイナスの電荷の数が等しくなり、全体としての電荷がなくなるpH値)を利用して、pH勾配の存在下でタンパク質を等電点で分離する方法です。