Chromosome level haplotype resolved genome assembly of the apple cultivar Cripps Pink (Pink Lady ® )

農業の世界において、リンゴほど身近で、かつ経済的に重要な作物もほとんどありません。何十年もの間、科学者たちは多くの植物の遺伝的指示を読み取ってきましたが、リンゴは特に手強い謎のままでした。互いにほぼ同一のコピーになるよう育種された作物とは異なり、ほとんどのリンゴの木は遺伝レベルで高度に混ざり合っており、互いに大きく異なる2つの異なる一組の指示を保持しています。この複雑さが、リンゴのゲノムの完全かつ正確なマップを作成することを困難にし、果実の品質、病気への耐性、そして樹木がどのように成長するかといった微妙な変異を見落とした断片的な視点しか残していませんでした。高解像度の明確なマップがなければ、なぜ特定のリンゴがより美味しく、より長く保存でき、あるいは特定の様式で色が変わるのかを理解することは、遅く、しばしば推測の域を出ないゲームとなってきました。

現在、研究者たちはついに、世界で最も重要なリンゴ品種の一つである「クリップス・ピンク（商業名：ピンク・レディ）」の、隙間のない完全なマップを作成しました。西オーストラリア州で開発されたこの品種は、そのシャキシャチキとした食感、甘酸っぱい味わい、そして数ヶ月間新鮮さを保つ驚異的な能力により、世界中で高く評価されています。その商業的な優位性にもかかわらず、高品質な遺伝的設計図の欠如により、科学者がその独特な特性や、ロージー・グロウやルビー・ピンクのような人気の色彩バリエーションを生み出す自然発生的な突然変異を研究する能力は制限されてきました。2つの異なる遺伝的一組を分離した詳細な染色体レベルのアセンブリを作成することで、チームはこの愛される果実の遺伝的構造をより深く観察するための基盤を提供しました。

研究は、単純ながらも極めて重要なステップから始まりました。それは、西オーストラリア州のマンジップ園芸研究センターにあるクリップス・ピンクの木から新鮮な葉を採取することでした。研究者たちは、使用する予定の高度なシーケンシング技術の要件である、DNAの鎖を長く、かつ無傷な状態で抽出するために、これらの葉からDNAを抽出しました。次に、彼らはPacBio HiFiシーケンシングと呼ばれる手法を採用しました。これは、長いDNAの断片を正確に読み取り、DNAの鎖を小さく混乱させる破片に分解することなく、その全長を効果的に捉える手法です。これらの長いリードを一貫した構造へと整理するために、彼らはOmni-Cと呼ばれる技術を用いて別のレイヤーのデータを加えました。これは、DNAの異なる部分が細胞核内でどのように物理的に相互作用し、折りたたまれているかをマッピングするものです。この相互作用データはガイドとして機能し、コンピュータ・ソフトウェアがどのパズルのピースが一緒にあり、どのように配置されるべきかを理解する助けとなります。

このロングリードと相互作用マップの組み合わせを用いて、チームは、木が受け継いだ2つの異なる染色体セットを表す、2つの別々の完全なバージョンへとゲノムを組み立てました。その結果、約6億5700万個の構成要素からなるプライマリー・アセンブリが得られ、それぞれ約6億5300万個と6億4600万個の2つの異なるハプロタイプ（遺伝的バージョン）に分割されました。各バージョンは、リンゴ種を定義する17本の染色体へと見事に整理されました。このマップの品質は極めて高く、研究者たちは、元のDNA配列のほぼすべての断片が最終的なアセンブリ内に存在することを確認しました。エラーは非常に稀であり、100万文字のコードにつき2箇所以下の間違いに相当します。また、このマップにはギャップ（隙間）がなく、染色体間に欠落しているセクションが存在しません。これは、以前のより断片化された試みと比較して、大幅な改善となります。

マップを手に入れた研究者たちは、コードの中に実際に何が書かれているかに注意を向けました。彼らは、それぞれのゲノムバージョンにおいて53,000から54,000のタンパク質符号化遺伝子を特定しました。この数値は、樹木の生物学的な複雑さを反映しています。これらの遺伝子のほとんどは既知の機能と一致しており、これにより、構造を構築することから環境への反応を管理することに至るまで、樹木の各部分が何を行うのかを科学者が理解できるようになりました。チームはまた、ゲノムの大部分、約65パーセントが、DNAのあちこちで自分自身をコピー＆ペーストする配列である反復要素で構成されていることも発見しました。これらのリピートは単なる「埋め草」ではなく、ゲノムがどのように進化するか、また、特に染色体が細胞分裂装置に付着する中央領域の周囲で、染色体がどのように組織化されるかという役割を果たしています。

この新しいマップの最も価値のある側面の一つは、樹木の2つの遺伝的バージョンを分離していることであり、これにより、以前は隠されていた差異を科学者が目にすることができる点です。研究者たちは、2つのゲノムの半分は非常に似ているものの、同一ではないことを発見しました。そこには、一方のバージョンと比較してDNAの大きなセクションが反転しているなどの、明確な構造的差異が含まれています。また、ある染色体における重大な再編成も見られ、そこでは大きな遺伝ブロックが別の場所に移動しています。これらの変異は、樹木がどのように成長し、果実がどのように発達するかに影響を与える可能性があるため、極めて重要です。例えば、このマップは、2つのバージョン間における特定の可動性遺伝要素の分布の違いを明らかにしており、これがなぜ一部の樹木がわずかに異なる特性を持つ果実を生産するのかを説明する助けとなる可能性があります。

研究者たちは、タンパク質を作らないものの、遺伝子がどのようにオン・オフされるかを制御するために不可欠な、非コード領域についても調査しました。彼らは、細胞の制御メカニズムとして機能する数千のトランスファーRNAやその他の小さなRNA分子を特定しました。これらすべての染色体にわたって規制要素が存在することは、アセンブリがゲノムの全機能的景観を捉えていることを裏付けています。さらに、チームは、特定の反復DNAのパターンと低遺伝子密度を探すことで、細胞分裂に不可欠な染色体の中心領域であるセントロメアの位置をマッピングしました。この詳細な構造情報は、染色体のアーキテクチャの完全な全体像を提供しており、これは以前の断片化されたリンゴゲノムでは不可能であったことです。

この成果は単なるリファレンス（参照）を提供するだけではありません。それは、今日の果樹園で見られる多様なピンク・レディ・リンゴを生み出す具体的な遺伝的変化を理解するための扉を開くものです。マップが非常に完全で正確であるため、科学者は異なる品種を比較し、さらには、果実を赤色にするか黄色にするか、あるいはコンパクトな「シュート（枝）」の形状で成長させるかを引き起こす正確な遺伝的突然変異までも調べることが可能になります。2つの遺伝的バージョンを個別に閲覧できる能力により、研究者は一方の親からどちらの遺伝子が発現しているかを研究することができ、これは以前は手の届かないレベルの詳細でした。この明晰さは育種プログラムにとって不可欠であり、育種家がより高い精度で望ましい形質を選択することを可能にし、変化する気候や消費者の好みにさらに適応した新品種の創出へとつながる可能性があります。

本研究で生成されたデータは公開されており、世界中の科学者がこの高品質なマップを使用して自身の研究を加速させることができるようになっています。欠落のない染色体レベルの視点を提示することで、研究者たちは、世界で最も重要なリンゴ品種の一つを理解する上での大きな障壁を取り除きました。このリソースは、ゲノム進化、新しい遺伝子の発見、および果実の品質や保存に関連する形質の分析に関する将来の研究をサポートすることになるでしょう。科学界がこの新しいマップの探索を開始するにつれ、リンゴの遺伝コードの秘密を解き明かし、次世代のために果実を向上させる可能性は、かつてないほど高まっています。