SICORP 終了報告書（関・Prat・Sonnewald、COSMIC）

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戦略的国際共同研究プログラム(SICORP)
日本－欧州共同研究
終了報告書

概要

1．研究課題名：持続的な作物生産のためのジャガイモとキャッサバの比較オミックス解析
2．研究期間：2017 年 4 月～2021 年 3 月
3．主な参加研究者名：
日本側チーム
研究代表者

関氏名

役職

所属

研究分担

原明

チームリーダー

理化学研究所

プロジェクトリ

環境資源科学ーダー

研究センター
主たる

内海

好規

研究員

同上

共同研究者
研究参加者

サブプロジェク
トリーダー

内海稚佳子

テクニカルスタ同上

形質転換ッフ
研究参加者

田中真帆

同上

同上

遺伝子発現解析

研究参加者

岡本芳恵

パートタイマー同上

実験サポート

研究参加者

宮本恵

パートタイマー

同上

同上

研究期間中の全参加研究者数６名

相手側チーム
氏名

役職

所属

研究分担

Salomé Prat教授

スペイン国立バイオテクノロ
ジーセンター (CNB-CSIC)

プロジェクトリーダーUwe Sonnewald

教授

フリードリヒ・アレクサンダー
大学エアランゲン-ニュルン
ベルク （FAU）

プロジェクトリーダー(ドイツ)

SophiaSonnewald

グループ
リーダー

FAU

ジャガイモ研究のコーディネーター

同上Frank Ludewig

FAU

同上

Günter Lehretz

グループ
リーダー
ポスドク

FAU

キャッサバ研究のコーディネーター
ジャガイモ研究

同上

JanineBergmann

PhD学生

FAU

キャッサバ研究

研究代
表者
主たる共同研究者
研究参加者

研究期間中の全参加研究者数

8 名

4．国際共同研究の概要：本研究では、3 つの研究グループ(理研、CNB-CSIC、FNU)が連SICORP 終了報告書（関・Prat・Sonnewald、COSMIC）携して、塊根植物キャッサバと塊茎植物ジャガイモの貯蔵器官の比較統合オミックス解析（遺伝子発現、代謝物、植物ホルモン量の変動）と形態学的研究を実施し、貯蔵器官形成における細胞分化の制御機構と環境要因が塊根・塊茎形成に影響を及ぼす分子メカニズムを解明することを目指して研究を進め、以下の重要な知見を得た。国際共同研究により世界に先駆けてキャッサバ塊根形成の分子メカニズムを解明した。1)塊根形成にはオーキシンとサイトカイニンが主要な役割を担うこと、2)ジャスモン酸とアブシジン酸は塊根の形成を阻害すること、3)ジャスモン酸の役割がキャッサバとジャガイモで異なること、を明らかにした。サイトカイニン応答性の TCS 遺伝子プロモーターと GUS 遺伝子のコンストラクト(INTACT 技術）をキャッサバに導入し発現解析を進め、塊根形成時の細胞分裂の配向性、細胞分裂の活性化領域を紐解くための重要な知見を得た。光呼吸の影響を軽減することを目指して、大腸菌由来の Glycolate Dehydrogenase（EcGlyDH）遺伝子の過剰発現キャッサバおよびジャガイモを作成して評価を進めた。キャッサバの塊根形成が日長に依存的なシグナルに応答することを明らかにした。今後、構築した研究ネットワークを活用し研究の推進により、塊根の早熟性に関わる遺伝子の同定やキャッサバおよびジャガイモの生産性向上への応用が期待される。
5．国際共同研究の成果
5-1 国際共同研究の学術成果および実施内容：キャッサバ塊根形成過程の植物ホルモン動態を統合オミックス解析と独自に開発した塊根誘導実験系から明らかにした。キャッサバの塊根形成が日長に依存的なシグナルに応答することを明らかにした。キャッサバ塊根とジャガイモ塊茎の形成の分子機構に共通点および相違が存在することを明らかにした。
INTACT 技術（TCS プロモーター+GUS の利用）をキャッサバとジャガイモに導入して、塊根形成時の細胞分裂の配向性、細胞分裂の活性化領域を紐解くことが可能となった。高温ストレス時の光呼吸の影響を軽減することを目指して、EcGlyDH 遺伝子の過剰発現キャッサバおよびジャガイモを作成し、高温ストレスの影響を評価するシステムを構築した。
5-2 国際共同研究による相乗効果：日本側代表者のこれまでのキャッサバ研究ネットワー
クはアジア諸国との連携がほとんどで、欧州のキャッサバ研究者とのネットワークは弱かった。本研究の実施により欧州のキャッサバ・ジャガイモ研究者と強い研究ネットワークを構築することができた。欧州側研究者はアフリカ研究者とキャッサバの連携研究を進めているので、今後キャッサバ研究を世界に展開する際、欧州側研究者と構築したネットワークを活用していきたいと考えている。また、本事業の実施により、若手研究者が塊根・塊茎の分子育種、分子メカニズム解明に必要な研究基盤を把握し、世界の塊根・塊茎の研究者とのネットワーク構築もできた。本事業の参画研究者は、今後構築したネットワークを活用し、本分野の国際共同研究の中核メンバーとして将来活躍することが期待できる。
5-3 国際共同研究成果の波及効果と今後の展望：本研究で得られた成果物の解析と共同研
究を通じて、日長制御に関わる遺伝子同定や光呼吸に関わる代謝系の最適化技術を構築する。開発技術を応用に近づけることにより、持続可能な開発目標（SDGs）「目標２：飢餓をゼロに」や「目標 13：気候変動に具体的な対策を」への貢献を目指す。新たな競争的研SICORP 終了報告書（関・Prat・Sonnewald、COSMIC）

究資金の獲得を進め、今後も協調関係を継続発展させる予定である。

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Strategic International Collaborative Research Program (SICORP)
Japan－Europe Joint Research Program
Executive Summary of Final Report
1． Project title：Comparative potato and cassava OMICS for sustainable crop
production (COSMIC)
2．Research period：Apr., 2017 ～ Mar., 2021
3．Main participants：
Japan-side
Name

Title

AffiliationRole in theresearch
project

PI

Motoaki Seki

Team

RIKEN CSRS

LeaderCo-PI

Yoshinori Utsumi

Researchin JapanRIKEN CSRS

Scientist
Collaborator

Chikako Utsumi

TechnicalProject Leader
Sub-project
Leader in JapanRIKEN CSRS

Transformation

Staff (T.S.)
Collaborator

Maho Tanaka

T.S.

RIKEN CSRS

Transcriptome

Collaborator

Yoshie Okamoto

Part Timer

RIKEN CSRS

Exp. support

Collaborator

Megumi Miyamoto

Part Timer

RIKEN CSRS

Exp. support

Total number of participants throughout the research period:

6Partner-side
NameTitle

AffiliationRole in theresearch projectPI

Professor

CNB-CSIC

Project Leader

Professor

FAU

PI in Germany

SophiaGroup

FAU

Potato research

Sonnewald

LeaderFrankGroupFAU

Cassava research

Ludewig

LeaderGünterPostdoc

FAU

Potato research

PhD

FAU

Cassava research

Salomé
Prat

Co-PI

Uwe
Sonnewald

Collaborator
Collaborator
Collaborator

Lehretz
Collaborator

JanineSICORP 終了報告書（関・Prat・Sonnewald、COSMIC）

Bergmannstudent

Total number of participants throughout the research period:

84．Summary of the international joint research: Three groups (RIKEN, CNB-CSIC,FNU) have conducted integrated omics analysis (transcriptome, metabolome, andhormonome) using storage organs of cassava and potato, and morphological studies oncell differentiation and elongation of storage organs. The purpose of this study is toelucidate the molecular mechanisms (factors and process of cell differentiation etc) of
storage organ formation. In this study, we demonstrated that cytokinin and auxin play amajor role in tuberous formation in cassava and the role of jasmonic acid is different
between cassava and potato. INTACT technologies were developed and transformed
into cassava and potato to carry out morphological studies on cambium celldifferentiation and cell elongation. Glycolate Dehydrogenase (EcGlyDH)-overexpressing
cassava and potato plants were prepared. We also found that cassava root formation
responds to photoperiod-dependent signals. In the future, it is expected that the genes
involved in early bulking of tuber will be identified and practical technologies foravoidance of energy loss in photorespiration will be developed by promoting the ongoing
research, resulting in the improvement of productivity of cassava and potato.
5．Outcomes of the international joint research
5-1 Scientific outputs and implemented activities of the joint research: The
phytohormonal dynamics of cassava tuberous root formation process were clarified byintegrated omics analysis and the in vitro tuber formation assay. INTACT technologies
were developed to clarify the orientation of cell division and the activation region of cell
division during tuber formation. EcGlyDH-overexpressing cassava and potato werecreated to reduce the effects of photorespiration under the high temperature stress.
5-2 Synergistic effects of the joint research: We could strengthen the research
networks among each institute. Through the research activities, we could develop
human resources that can understand the global cassava and potato research projects
necessary for molecular breeding and the elucidation of the molecular mechanisms.
5-3 Scientific, industrial or societal impacts/effects of the outputs: We will performthe identification of candidate genes related to tuber development under photoperiod
control and the optimization of metabolic system involved in photorespiration under hightemperature through the analysis of the results obtained in this study in collaboration
with each institute. The international brain circulation was established through theparticipation in the workshop of young researchers. We will continue to develop thecooperative relationship through the acquisition of new competitive research funds.

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国際共同研究における主要な研究成果リスト
1．論文発表等＊原著論文（相手側研究チームとの共著論文）発表件数：計０件
・査読有り：発表件数：計０件
・査読無し：発表件数：計０件＊原著論文（相手側研究チームを含まない日本側研究チームの論文）：発表件数：計 3 件・査読有り：発表件数：計 3 件 (日本側研究チームのプロジェクトリーダーを二重下線、サブプロジェクトリーダーを一重下線、それ以外の参加者を点線で示す)
1.

Tokunaga, H., Baba, T., Ishitani, M., Ito, K., Kim, O.K., Le, H.H., Le, H.K., Maejima, K.,Namba, S., Natsuaki, K.T., Nguyen, D.V., Nguyen, H.H., Nguyen, N.C., Nguyen, V.A.,
Nomura, H., Seki, M., Srean, P., Tanaka, H., Touch, B., Trinh, H.X., Ugaki, M., Uke, A.,
Utsumi, Y., Wongtiem, P. and Takasu, K. (2018) Sustainable Management ofInvasive Pests of Cassava in Vietnam, Cambodia and Thailand. In “Crop Production
under Stressful Conditions: Application ofCutting-edge Science andTechnology in Developing Countries (Edited by Drs. Makie Kokubun andShuichi Asanuma)”, Springer, pp. 131-157, doi: 10.1007/978-981-10-7308-3_8
2.

Malik, A.I., Kongsil, P., Nguyen, A.V., Ou, W., Sholihin, Srean, P., Sheela , M.N.,
Lopez-Lavalle, L.A.B., Utsumi, Y., Lu, C., Kittipadakul, P., Nguyen, H.H., Ceballos, H.,
Nguyen, T.H., Gomez, M.S., Aiemnaka, P., Labarta, R., Chen, S., Amawan, S., Sok, S.,
Youabee, L., Seki, M., Tokunaga, H., Wang, W., Li, K., Nguyen, H.A., Nguyen, V.D.,
Ham, L.H. and Ishitani, M. (2020) Cassava breeding and agronomy in Asia - 50 yearsof history and future directions. Breed. Sci. 70:145-166. doi: 10.1270/jsbbs.18180.

3.

Utsumi, Y., Tanaka, M., Utsumi, C., Takahashi, S., Matsui, A., Fukushima, A.,
Kobayashi, M., Sasaki, R., Oikawa, A., Kusano, M., Saito, K., Kojima, M., Sakakibara,H., Sojikul, P., Narangajavana, J. and Seki, M. (2020) Integrative omics approaches
revealed a crosstalk among phytohormones during tuberous root development incassava. Plant Mol. Biol., doi: 10.1007/s11103-020-01033-8.

・査読無し：発表件数：計 0 件＊その他の著作物（相手側研究チームとの共著総説、書籍など）：発表件数：計 0 件＊その他の著作物（相手側研究チームを含まない日本側研究チームの総説、書籍など）：発表件数：計 1 件 (日本側研究チームのプロジェクトリーダーを二重下線、サブプロジェク
トリーダーを一重下線、それ以外の参加者を点線で示す)
4. Seki, M., Tokunaga, H., Utsumi, C., Okamoto, Y., Moriya, E., Vu, T.A., Sakamoto, A.,Takei, Y., Sakurai, T., Endo, M., Mikami, M., Toki, S., Tsuji, H., Jarunya Narangajavana,SICORP 終了報告書（関・Prat・Sonnewald、COSMIC）

J., Triwitayakorn, K., Sojikul, P., Nguyen, A.H., Do, Q.T.N., Nguyen D.V., Nguyen， A.V.,
Le，H.H., Pham, N.T., Nguyen, H.H., Touch, B., Srean, P., Wongtiem, P., Ishitani, M.
and Utsumi, Y. (2018) Advancement of Asian Cassava Molecular Breeding towards
SDGs. Proceedings of the 18th Science Council of Asia (SCA) Conference "Roleof Science for Society: Strategies towards SDGs in Asia", Dec. 5-7, 2018, Tokyo,Japan, Theme 10, 6.
2．学会発表＊口頭発表（相手側研究チームとの連名発表）
発表件数：計 0 件（うち招待講演：0 件）＊口頭発表（相手側研究チームを含まない日本側研究チームの発表）
発表件数：計 7 件（うち招待講演：6 件）(日本側研究チームのプロジェクトリーダ
ーを二重下線、サブプロジェクトリーダーを一重下線、それ以外の参加者を点線で1.

示す)
Seki, M., Tokunaga, H., Utsumi, C., Okamoto, Y., Moriya, E., Vu, T.A., Sakamoto, A.,Takei, Y., Sakurai, T., Endo, M., Mikami, M., Toki, S., Tsuji, H., Jarunya
Narangajavana, J., Triwitayakorn, K., Sojikul, P., Nguyen, A.H., Do, Q.T.N., Nguyen
D.V., Nguyen， A.V., Le，H.H., Pham, N.T., Nguyen, H.H., Touch, B., Srean, P.,
Wongtiem, P., Ishitani, M. and Utsumi, Y. (2018) Advancement of Asian Cassava
Molecular Breeding towards SDGs. Proceedings of the 18th Science Council ofAsia (SCA) Conference, Tokyo, Japan, Dec. 5-7, 2018 (招待講演)

2.

Utsumi, Y., Utsumi, C., Okamoto, Y., Moriya, E., Tanaka, M. and Seki, M. Formationof friable embryogenic callus in cassava cultivar “KU50” is observed underconditions of reduced nitrate, potassium and phosphate. The Fourth ScientificConference of the Global Cassava Partnership for the 21st – GCP21-IV, Cotonou,
Republic of Benin, 2018 年 6 月 12 日 (招待講演)

3.

Tokunaga, H., Nguyen A.H., Nguyen, H.H, Ishitani, M.,Takasu, K, Touch B, Utsumi Y.,
Nguyen, V.A., Wongtiem, P. and Seki, M. Developing a sustainable seed system forcassava in Southeast Asia. The Fourth Scientific Conference of the Global
Cassava Partnership for the 21st – GCP21-IV, Cotonou, Republic of Benin, 2018 年
6 月 12 日 (招待講演)

4.

Tokunaga,H., Nguyen, A.H., Anh V.T., Behnam, B., Ishitani, M, Quynh, D.T., Tsuji, H.,
Utsumi, Y., Vu N.A. and Seki, M. Studies on key environmental factors affecting
flower formation and branch development in cassava. The Fourth Scientific
Conference of the Global Cassava Partnership for the 21st – GCP21-IV, Cotonou,
Republic of Benin, 2018 年 6 月 14 日 (招待講演)

SICORP 終了報告書（関・Prat・Sonnewald、COSMIC）

5.

Utsumi, Y., Tanaka, M., Utsumi, C., Okamoto, Y., Moriya, E., Tokunaga, H. and Seki,
M. Understanding the Molecular Mechanism of the Effect to Day-Length on
Tuberous Root Development in Cassava (Manihot esculenta Crantz), The Fourth
Scientific Conference of the Global Cassava Partnership for the 21st –GCP21-IV, Cotonou, Republic of Benin, 2018 年 6 月 14 日

6.

Utsumi, Y., Tanaka, M., Utsumi, C., Takahashi, S., Okamoto, Y., Moriya, E. and Seki,
M. Identification of Genes and Enzymes Encoding Starch Biosynthesis on Cassava(Manihot esculenta Crantz), The Fourth Scientific Conference of the GlobalCassava Partnership for the 21st – GCP21-IV, Cotonou, Republic of Benin, 2018 年
6 月 14 日 (招待講演)

7.

Utsumi, Y., Tokunaga, H., Utsumi, C., Okamoto, Y., Moriya, E., Vu, T.A., Sakamoto, A.,Takei, Y., Sakurai, T., Endo, M., Mikami, M., Toki, S., Tsuji, H., Narangajavana, J.,
Triwitayakorn, K., Sojikul, P., Nguyen, A.H., Do, Q.T.N., Nguyen，D.V., Nguyen，V.A.,
Le，H.H., Pham, N.T., Nguyen, H.H., Touch, B., Srean, P., Wongtiem, P., Ishitani, M.
and Seki, M. Advancement of Cassava Molecular Breeding in east-Asia、The Plant
and Animal Genome XXVII Conference (PAG) 、San Diego、USA、2019 年 1 月
16 日 (招待講演)＊ポスター発表（相手側研究チームとの連名発表）
発表件数：計 0 件＊ポスター発表（相手側研究チームを含まない日本側研究チームの発表）
発表件数：計 0 件
3．主催したワークショップ・セミナー・シンポジウム等の開催
1.

EIG CONCERT COSMIC Project. Kick-off meeting、主催者：Salomé Prat（CNB-CSIC、教授）、場所：スペイン国立バイオテクノロジーセンター(CNB-CSIC、マドリード、スペイン）、期間：2017/11/12～2017/11/14、参加人数：15 名

2.

EIG CONCERT COSMIC Project. Mini-workshop at RKEN Yokohama、主催者：関原明（理研、チームリーダー）、場所：理研横浜キャンパス (横浜、日本)、期間：2018/5/6～2018/5/10、参加人数：30 名

3.

COSMIC Workshop “Physiology meets development – metabolic and molecular
control of crop yield”、主催者：Uwe Sonnewald（FAU、教授）、場所：Welcome Hotel
Bamberg (バンベルグﾞ、ドイツ)、期間：2018/9/16～2018/9/18、参加人数：40 名

4.

RIKEN CSRS Seminar for COSMIC project、主催者：関原明（理研、チームリーダー）、
場所：理研横浜キャンパス (横浜、日本)、期間：2019/6/10、参加人数：30 名

5.

COSMIC Workshop "Physiology meets structure - Integrative models for assimilatetransport "、主催者：Uwe Sonnewald（FAU、教授）、場所：Welcome Hotel Bamberg

SICORP 終了報告書（関・Prat・Sonnewald、COSMIC）(バンベルグﾞ、ドイツ)、期間：2019/9/22～2019/9/24、参加人数：30 名
4．研究交流の実績（主要な実績）⚫

2017 年 11 月：日本から 2 名（関原明チームリーダーと内海好規研究員）が 1 週間相手研究機関（スペイン）を訪問した。共同研究に関して打ち合わせを行った。

⚫

2018 年 5 月：スペインから 1 名（Salomé Prat 教授）とドイツから 2 名（SophiaSonnewald 教授と Janine Bergmann さん博士後期課程学生）が一週間理研(日本)を訪問した。Dr. Salomé Prat、Dr. Sophia Sonnewald、 Ms. Janine Klima、Dr. YoshinoriUtsumi が理研で開催のキャッサバミニワークショップで招待講演するとともに共同研究の打ち合わせを行った。

⚫

2018 年 9 月：日本から 2 名（関原明チームリーダーと内海好規研究員）が 1 週間相手研究機関（ドイツ）に訪問した。COSMIC Workshop “Physiology meets development– metabolic and molecular control of crop yield”を開催し、Dr. Salomé Prat、Dr. Uwe
Sonnewald、 Dr. Motoaki Seki、Dr. Yoshinori Utsumi が招待講演した。共同研究に関する打ち合わせも行った。

⚫

2019 年 6 月：スペインから 1 名（Salomé Prat 教授）とドイツから１名（Uwe Sonnewald教授）が一週間理研（日本）を訪問した。キャッサバミニワークショップを開催し、Dr. Salomé Prat および Dr. Uwe Sonnewald が招待講演するとともに共同研究の打ち合わせを行った。

⚫

2019 年 9 月：日本から 2 名（関原明チームリーダーと内海好規研究員）が 1 週間相手研究機関（ドイツ）を訪問した。COSMIC Workshop "Physiology meets structure Integrative models for assimilate transport"を開催し、Dr. Salomé Prat、Dr. UweSonnewald、 Dr. Motoaki Seki、Dr. Yoshinori Utsumi が招待講演した。共同研究に関する打ち合わせも行った。

5．特許出願研究期間累積出願件数：０ 件
6．受賞・新聞報道等⚫

関原明、Highly Cited Researchers 2017, 2018, 2019, 2020, クラリベイトアナリテ

ィクス社⚫

内海好規、2017 年理研研究奨励賞

7．その他
1. 研究成果のプレスリリースを行った。
キャッサバ塊根の形成メカニズムを解明－塊根の生産性向上に向けた有用な基盤知見の取得に貢献－（https://www.riken.jp/press/2020/20200805_1/index.html）

SICORP 終了報告書（関・Prat・Sonnewald、COSMIC）

上 記 プ レ ス リ リ ー ス の 後 、 研 究 成 果 は 、 JST News （ 2020 年 11 月 号 ；https://www.jst.go.jp/pr/jst-news/backnumber/2020/202011/index.html）やフジサンケ
イビジネスアイ Science View (2020 年 9 月 17 日）などでも紹介された。
2. 2019 年 12 月に理研で第１回キャッサバ研究会「キャッサバ研究の今後について考える」を開催し、国内におけるキャッサバ研究ネットワークの強化を進めた。