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刊登日期: 2022年1月21日更新 发布要点 开发了一种在没有红色色素的情况下简单地视觉识别细胞是否发生了突变的方法。 从用这种方法识别的发生突变的细胞中，首次成功地直接、包罗性地鉴定了量子束照射产生的DNA的变异。 通过树木和营养繁殖性植物的品种改良，期待将其作为即使不培育到果实成熟也能选拔出果实甜美的树的新技术加以利用。 国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构(理事长平野俊夫)量子束科学部门高崎量子应用研究所的北村智上席研究员等开发了选择性可视化识别特定变异细胞的技术，在世界上首次成功直接检测出照射量子束的植物上发生的基因组突变。 用量子束照射细胞会对DNA造成损伤。 如果细胞修复了这个伤口，DNA的碱基序列就会发生变化，发生突变。 对作为多细胞生物的植物照射量子束后，每个细胞在DNA上产生不同的突变模式(种类、数量、地点)，具有各种突变模式的细胞混合存在，成为非常复杂的状态。 因此，对于这样的细胞群体，很难决定在DNA上发生的突变的数量和种类，至今为止还没有从照射的植物中全面检测出直接突变的报告。 在挑战突变的直接检测时，我们只要有植物利用植物中普遍存在且不影响生长的红色色素，根据红色色素是“有”还是“没有”，即细胞能否制造红色色素，如果有能够简单识别是否是发生突变的细胞的植物，就可以从照射量子束的植物中直接检测突变，并按照每个细胞正确地决定在DNA上发生的突变的数量和种类。 制作具有这样性质的特殊拟南芥，用伽马射线照射时，发现由通过照射不能制作红色色素的突变细胞构成的组织区域，可以从制作红色色素的区域明确区分出来。 通过分析从这个没有红色色素的区域提取的DNA，世界上第一个成功地全面检测出了各种规模的突变，从只有一个DNA碱基发生了变化到数百万个碱基发生了变化。 通过实现这一分析，也明确了影响多个基因(性状)的大型变异，实际上比以往设想的数量发生得多。 植物有一代人非常长的东西，就像树木一样。 另外，不是从种子而是扦插等通过营养繁殖增殖的东西很多。 在这种植物中，照射植物的细胞发生的变异直接关系到品种改良，因此高频度地发生大型变异将有助于高效地改良品种。 我们希望通过利用该研究表明的在照射植物上的突变特征，将其用于在改良树木和营养繁殖性植物方面的有前景的植株的早期选拔等，如选拔即使在成熟前也能结出好果实的树枝，或者即使不培育到果实也能选拔出结出甜果实的树。本研究的一部分是在日本学术振兴会的科学研究费资助事业( 19K12333 )和文部科学省的先进基因组支援( 16H06279(PAGS ) )的资助下实施的。 另外，本研究成果在学术杂志《PLOS Genetics》上于令和4年1月21日(星期五)4:00 (日本时间)在线刊登。背景目的 量子束1 )照射生物会损伤基因组DNA2)，如果这个伤口被错误修复，基因组DNA的碱基序列就会发生改变，发生突变。 由于修复的差异，基因组上的各个地方都会发生大小各异的突变，从一个碱基到几百万个碱基。 利用这一点，使植物基因组发生突变，制造具有新性状的植物的品种改良正在积极进行。 此时，对照射何种量子束合适程度的判断，一般基于在照射的植物受精后下一代的植物中观察到的突变的分析结果。 但是，在植物中，也有很多为了产生下一代种子需要几十年的树木，以及不经过受精和种子形成就能够通过插条等营养繁殖增殖的植物。 在这种一代以改良长期植物为目的的情况下，在被照射的一代的突变知识而不是以往的照射下一代的突变知识是必不可少的。 另外，在以往的照射下一代的突变分析中，也有可能容易消除花粉和卵细胞等有助于受精的细胞(生殖细胞)致死的大规模突变。 因此，为了正确理解量子束引起的突变，在照射的植物上的突变分析也很重要。 因此，我们以明确在被照射的植物中基因组突变的情况为目的，开始了研究。 法律.成果 基因组上发生的突变种类3 )和数量因细胞而异，因此向多细胞生物植物照射量子束时，会变成混合有具有不同突变模式的各种基因组的非常复杂的状态。 在这种复杂的状态下，检测基因组中发生的突变本身就非常困难。 我们认为，消除这种“基因组复杂性”，才是获取可用于树木和营养繁殖性植物的照射植物中的突变信息的关键。 模式植物拟南芥4 )中，叶片和茎出现红色色素，这是由于也称为玫瑰花色和红叶的红色色素花色苷的积累。 这种红色素是在多种酶的连续作用下合成的，如果这种合成途径的任何一个酶基因群失去功能，合成途径就会被切断，无法合成红色素。 由于各酶基因是分别来源于父母的一对，我们认为通过预先灭活红色色素合成酶基因中的一个，如果另一个基因发生变异，红色色素合成路径就会被阻断，变异细胞可以作为没有红色色素的细胞可视化(图1 )。
如果这个没有红色色素的细胞分裂增殖，普通的红色组织中应该会出现没有红色的组织。 在这种红色色素缺失组织中，没有红色的变异细胞占大多数，因此，被照射的植物的突变分析中存在的问题的“基因组复杂性”有望被消除。 因此，如果从这个组织中提取DNA，进行全基因组分析，不就能检测出整个基因组中发生的各种类型的突变吗(图2 )。
因此，对于参与红色色素合成路径的3个基因，分别产生了灭活了各自的一方的拟南芥种子，照射了量子束的一种伽马射线。 使照射的种子发芽培养，观察有无红色色素，结果确认只有用伽马射线照射的植物才能检测出红色色素缺损组织。 用从红色色素缺失组织提取的DNA进行全基因组分析，正如预想的那样，处于基因组复杂性被消除的状态，成功地检测出了从一个碱基的突变(碱基置换、缺失、插入)到长达数百万个碱基的超大变异的大小各种各样的突变 特别是超过100个碱基的大型变异，在照射下一代的突变中几乎没有检测到，与此相比，在使用照射植物的本研究中确认了可以多检测到一位数。 另外，根据突变的大小(大中小型)，发现突变的碱基序列特征不同(图3 )。 这是本研究首次通过高效检测大型变异而发现的，这是第一次发现，提示各自大小的突变发生在不同的机制上。 今后也想以这些特征为指标，验证一下人为控制突变大小的可能性。
今后的开展 本研究证实，在量子束照射的植物中，可以检测出跨越世代的前一个基因组突变。 结果表明，影响许多基因的大型变异发生频率比已知信息高。 在对一代长的树木果树和营养繁殖性植物进行量子束照射的群体中，通过消除基因组的复杂性进行基因组分析，在选拔大型变异和目的基因有变异的组织等时使用，有望对具有有希望性状的组织的早期选拔有所帮助。 论文 专利信息北村聪史、胜矢·佐藤、宇田聪 |
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