ネストされた関連マッピング

ネスト関連マッピング（NAM ）は、エドワード・バックラー、ジェームズ・ホランド、マイケル・マクマレンの研究室がトウモロコシ（Zea mays ）の複雑な形質の遺伝的構造を識別し分析するために考案した手法です。ネスト関連マッピングは（関連マッピングとは異なり）トウモロコシNAM集団^[1]などの特別に設計された集団以外では実行できない特殊な手法であることに注意することが重要です 。詳細については以下で説明します。

NAM は、量的形質遺伝子座を特定するための 2 つの従来の方法である連鎖解析と関連マッピングの利点を組み合わせ、欠点を排除する手段として作成されました。連鎖解析は、2 つの異なる植物系統間の最近の遺伝子組み換え(遺伝的交配の結果) に依存して一般的な関心領域を特定し、ゲノム全体のカバレッジと対立遺伝子あたりの統計的検出力を高めるために必要な遺伝子マーカーが少ないという利点があります。ただし、連鎖解析には、マッピング解像度が低く、対立遺伝子の豊富さが低いという欠点があります。これとは対照的に、関連マッピングは過去の組み換えを利用し、関心のある形質と連鎖不平衡にあるSNPをゲノムでスキャンすることによって実行されます。関連マッピングは、高解像度でマッピングでき、対立遺伝子の豊富さが高いという点で連鎖解析よりも優れていますが、ゲノム内の SNP に関する広範な知識も必要となるため、トウモロコシなどの多様な種でようやく可能になりつつあります。

NAM は、過去および最近の組み換えイベントの両方を利用して、低いマーカー密度要件、高い対立遺伝子の豊富さ、高いマッピング解像度、および高い統計的検出力の利点を実現し、連鎖解析や関連マッピングの欠点を一切排除しています。^{[1] [2]}これらの点で、NAM アプローチは、アラビドプシスの MAGIC ラインと AMPRIL、およびマウスの Collaborative Cross と原理的に類似しています。

トウモロコシの驚くべき多様性を網羅し、歴史的連鎖不平衡を保つために、25 種類のトウモロコシ系統が NAM 集団の親系統として選ばれました。各親系統は、B73 トウモロコシ近交系 (公開トウモロコシ配列プロジェクトで使用され、最も成功した商業近交系の 1 つとして広く普及しているため、参照系統として選択) と交配され、F1集団が作成されました。その後、F1 植物は 6 世代にわたって自家受精され、1 ファミリーあたり合計 200 のホモ接合組換え近交系 (RIL) が作成され、NAM 集団内の RIL は合計 5000 になりました。これらの系統は、USDA-ARS トウモロコシストックセンターを通じて公開されています。

次に、各 RIL を同じ 1106 分子マーカーで遺伝子型判定し(これを可能にするために、研究者は B73 がまれな対立遺伝子を持つマーカーを選択しました)、組み換えブロックを特定しました。1106 マーカーで遺伝子型判定した後、各親系統を配列決定するか高密度遺伝子型判定し、その配列決定/遺伝子型判定の結果を各 RIL で特定された組み換えブロックに重ねました。その結果、完全に配列決定または高密度遺伝子型判定された 5000 個の RIL が得られ、共通の 1106 マーカーで遺伝子型判定したため、これらをすべて相互に比較して一緒に分析することができました (図 1)。^{[1] [2]}

NAM 集団特性評価の 2 つ目の側面は、親系統の配列決定です。これにより、集団にもたらされた自然変異に関する情報と、トウモロコシの変異の歴史に記録された広範な組み換えの記録が取得されます。この配列決定の第一段階は、2009 年に Gore、Chia らが報告したように、次世代シーケンシング技術を使用した縮小表現シーケンシングによって行われました。^[3] この最初の配列決定により、トウモロコシの 160 万の可変領域が発見され、現在では幅広い形質の分析に役立っています。

従来のQTL マッピング戦略と同様に、ネスト関連マッピングの一般的な目標は、関心のある表現型を特定の遺伝子型と相関させることです。NAM 集団の作成者が述べた目標の 1 つは、NAM 集団内の SNP と関心のある量的形質 (開花時期、植物の高さ、カロチン含有量など)との関連性を調べることで、トウモロコシの全ゲノム関連研究を実行できるようにすることでした。 ^[1]ただし、2009 年時点では、元の親系統の配列決定は、これらの分析を実行するために必要な程度まではまだ完了していませんでした。ただし、NAM 集団は連鎖解析にうまく使用されています。公開された連鎖研究では、前のセクションで説明した NAM 集団の独自の構造により、結合された NAM ファミリーのジョイントステップワイズ回帰とジョイント包括的複合区間マッピングが可能になり、開花時期の QTL を特定できました。^[4]

NAM を使用して QTL を特定した最初の出版物は、トウモロコシの開花時期の遺伝的構造に関する Buckler 研究室によるもので、2009 年の夏に発表されました。^[4]この画期的な研究では、著者らは100 万近くの植物について、絹糸発現までの日数、開花までの日数、絹糸発現から開花ま​​での間隔にスコアを付け、単一および結合ステップワイズ回帰と包括的複合間隔マッピング(ICIM) を実行して、絹糸発現までの日数と開花までの日数の変動の 89% を説明する 39 の QTL と、絹糸発現から開花ま​​での間隔の変動の 64% を説明する 29 の QTL を特定しました。^[4]

本論文で特定された開花時期 QTL の 98% は、開花時期への影響が 1 日未満 (B73 参照と比較して) であることが分かりました。ただし、これらの比較的小さな QTL 効果は、各ファミリーで合計すると、絹糸化までの日数に大きな違いと変化が生じることも示されました。さらに、ほとんどの QTL はファミリー間で共有されていますが、各ファミリーはほとんどの QTL に対して機能的に異なる対立遺伝子を持っているようです。これらの観察から、著者らはトウモロコシの開花時期の多様性を説明するために「共通遺伝子と非共通変異」^{[4]のモデルを提案しました。著者らは、以前に研究されたトウモロコシ開花時期 QTL Vgt1 (vegetation-to-transition1) [5]}の対立遺伝子シリーズを記録し、遺伝的背景を制御して各ファミリーの vgt1 の効果を推定することで、モデルをテストしました。その後、研究者らは、早期開花と強く関連する小型トランスポゾンを含む対立遺伝子と、後期開花に関連するSNPを含む他の対立遺伝子を含む、対立遺伝子シリーズに対応する特定の配列変異体を特定しました。^[4]

トウモロコシのNAMは、南部葉枯れ病耐性に関するKump et al 2011や北部葉枯れ病耐性に関するPoland et al 2011など、菌類に対する耐性を伝える難しい形質のマッピングに役立っています。 ^[6]

ネスト関連マッピングは、トウモロコシやその他の種の農業形質の調査に非常に大きな可能性を秘めています。初期の開花時期の研究が示すように、NAM は農業関連形質の QTL を特定し、それらの QTL をトウモロコシ以外の種の相同遺伝子や候補遺伝子に関連付ける力を持っています。さらに、NAM 系統はトウモロコシコミュニティにとって強力な公共リソースとなり、共通データベース (外部リンクを参照) を介してトウモロコシの遺伝資源やトウモロコシ研究の結果を共有する機会となり、トウモロコシの農業形質に関する将来の研究をさらに促進します。トウモロコシは世界で最も重要な農作物の 1 つであることを考えると、このような研究は作物の遺伝的改良、ひいては世界の食糧安全保障に大きな影響を与えます。^[4]

小麦、大麦、モロコシ、シロイヌナズナについても同様の設計が作成されています。

• 関連マッピング
• ファミリーベースのQTLマッピング
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• QTLマッピング

トウモロコシデータベース:

• Panzea.org – 公式ネスト関連マッピングデータベース
• MaizeGDB – トウモロコシに関する生物学的情報のコミュニティ データベース
• トウモロコシゲノム配列ブラウザ
• グラメン – トウモロコシ、イネ、モロコシを含む多くの植物遺伝学システムのゲノムを組み立てたもの