世界中の農業が最新のNGSテクノロジーの恩恵を受けています
Texas A&M AgriLifeは、NovaSeq 6000およびiSeq 100システムを使用して、高品質の植物、動物、昆虫ゲノムデータを世界中のパートナーに提供します。
世界中の農業が最新のNGSテクノロジーの恩恵を受けています
はじめに
人間の人口は急速に増加しており、現在の農業慣行の生産量を上回っていると脅しています。ゲノミクスの分野は、農家が世界中のコミュニティを維持するために十分な食糧を生産できるようにする上で重要な役割を果たす準備ができています。次世代シーケンサー（NGS）システムとマイクロアレイは、10年間アグリゲノミクス研究の基盤であり、作物種と家畜の品種を改善するためのデータを提供してきました。テキサスA&M AgriLifeのゲノミクスおよびバイオインフォマティクス担当ディレクター兼バイオインフォマティクスおよびゲノムシステムエンジニアリングセンターのエグゼクティブディレクターであるCharlie Johnson博士は、これらのテクノロジーについて長年の経験があります。Texas A&M AgriLife Genomics and Bioinformatics Serviceラボは、世界中の研究チームにシーケンスサービスを提供し、幅広い植物や動物のゲノム研究を可能にします。
AgriLifeラボは、長年にわたって新しいテクノロジーを早期に導入しており、NGS機能の拡大を目指す他の研究グループのケースモデルとして機能しています。2017年に導入されたNovaSeq 6000システムは、農業に重点を置いたシーケンス施設としては初めてでした。最近、AgriLifeラボでは、別のNovaSeq 6000システムとiSeq 100システムを追加し、ラボにハイスループットで低コストのNGSを追加しました。
AgriLifeチームは、農家に利益をもたらし、種の保全をサポートするアグリゲノミクス研究の加速に重点を置いています。iCommunityは、ジョンソン博士と話し合い、彼のチームの仕事、NGSテクノロジーを使用した彼の研究室で経験したメリット、NGSシステムを研究室に追加する計画のある他のグループに対する彼の推奨事項、そしてアグリゲノミクスの分野で将来がどうなるかについて学びました。
Charlie Johnson博士は、Texas A&M AgriLifeのゲノミクスおよびバイオインフォマティクスのディレクターであり、バイオインフォマティクスおよびゲノムシステムエンジニアリングセンターのエグゼクティブディレクターです。
Q：どのようにアグリゲノミクスに関与しましたか？
チャールズ・ジョンソン（CJ）：私の家族は、1800年代にミシガン州北部の小さな農場から始まった農業に長い歴史を持っています。1894年、私の孫であるClarence Beaman Smithはミシガン州立大学を卒業し、当時は州の農業大学でした。米国農務省（USDA）に勤務し、4-H協会の成長に貢献しました。
テキサスA&Mで土壌と作物の科学の理学士号を、クレムソン大学でハラペーニョス研究の理学修士号を、テキサスA&M大学で綿花生理学の博士号を取得しました。ルイビル大学でポスドクを修了し、人間のシステムにおける機械学習と遺伝子ネットワーク推論に重点を置いた計算生物学に従事しました。私の経歴は素晴らしい経験をもたらし、世界中のほぼすべての生物種のシーケンスを行う現在のポジションに備えてくれました。
Q：Texas A&M AgriLife Genomics and Bioinformatics Serviceとは何ですか？また、その使命は何ですか？
CJ：AgriLifeラボは、NGSとバイオインフォマティクス解析を研究コミュニティに提供します。その中核を成すのは、バイオインフォマティクスとウェットラボの経験を持つ優れた科学者グループです。当社の哲学は、常に最新のテクノロジーと連携することです。当社のシーケンサーは、5種類以上のNGSテクノロジーの反復を表しています。当社の最も古いオペレーションシーケンサーはHiSeq 2500システムであり、まもなく廃止されます。また、HiSeq 4000、MiSeq 、iSeq 100、および2台のNovaSeq 6000システムもあります。
私たちのラボの使命は、世界中のお客様に高品質のシーケンスとバイオインフォマティクスを提供し、その分野で世界一になることです。高品質のサービスこそが、朝に私たちを引き起こさせ、私たちを駆り立てるものです。当社は、より良い結果をもたらし、高品質のシーケンス結果を提供することに常に努力しています。イルミナのシーケンスシステムと連携することで、私たちのミッションがはるかに容易になります。
Q：どのような種類の研究研究を行っていますか？
CJ：現在、36カ国の研究グループと協力しており、プロジェクトの範囲は多岐にわたります。遺伝子発現研究やde novoシーケンスなど、さまざまなNGSアプリケーションを実施し、ジェノタイピングにNGSを使用することを専門としています。小麦、綿花、トウモロコシ、ソロガム、米、さまざまな野菜、多くの動物種など、ほとんどの農業種で研究を行っています。テキサスA&Mは、世界でナンバーワンの昆虫学部門を有しているため、ダニ、火のアリ、キスバグ、蚊など、昆虫との大量の作業も行っています。当社は、世界中の人々の生活と健康を改善するために、幅広いゲノムサイエンティストと協力しています。
人類の人口増加を維持するには、利用可能なすべてのツールを使用する必要があります。NGSはその一部です。
Q：ゲノミクス研究が重要な理由
CJ：アグリゲノミクス研究は、いくつかの理由から重要です。分子育種またはマーカー支援の選択は、作物の改善のための貴重な手法であり、より良く、より安価で、より速くなります。私たちは、世界に食糧を供給する方法を理解するために、文字通り人生の道のりを翻訳しています。人類の人口増加を維持するには、利用可能なすべてのツールを使用する必要があります。NGSはその一部です。
ゲノミクスは、野生生物の種の保全方法を理解する上でも非常に重要です。特定の種の集団は、すでに非常に小さくなっており、効果的に絶滅していますか？ ゲノムシーケンスを通して、その決定を支援することができます。
Q：NGSが利用可能になる前に、どのようにゲノム研究を行いましたか？
CJ：マイクロアレイが開発されていた1990年代後半にゲノミクスの仕事を始めました。そこで、遺伝子発現研究と遺伝子発現データの統計分析を始めました。
マイクロアレイの主な限界は、種に関する事前の遺伝的知識が必要であることです。マイクロアレイを作成するためにどのような遺伝子または一塩基多型（SNP）を探しているかを事前に知る必要があります。遺伝子発現を研究している場合は、アレイに適したオリゴを選択するための事前知識が必要です。SNPまたはオリゴがアレイ上にない場合、それらは測定されません。
これは、シーケンスされたことのない種を研究する場合の大きな限界です。NGSは事前知識を必要としないため、植物や動物のゲノムのシーケンスに非常に優れたツールとなります。
Q：NGSは、研究者が植物ゲノムの複雑さを解読する上でどのように役立ちますか？
CJ：ヒトゲノムの高品質に一致する農業リファレンスゲノムは決してないかもしれません。ほとんどの人は、植物ゲノムは私たちが研究する最も複雑なゲノムの一部であることに気づいていません。例えば、小麦ゲノムはヒトゲノムの5倍、一部のパインゲノムは小麦ゲノムの2倍の大きさです。
小麦やトウモロコシなどの植物ゲノムの複雑さにより、マイクロアレイの設計が困難になりました。多くの場合、グローバルコンソーシアムが協力して、私たちが持っているものを作る必要があります。設計後、これらのアレイは安価で解析が容易で、農業に非常に役立っています。しかし、マイクロアレイは世界の多くの種を研究することはできません。
NGSのコストは時間の経過とともに低下し、数年前でも不可能なレベルの探索を可能にしました。NGSでは、お気に入りの種をシーケンスしたい場合、できます。この時点では、技術的または経済的な障壁はありません。種は簡単にシーケンスでき、研究でその情報を使用できます。
マイクロアレイの主な限界は、種に関する事前の遺伝的知識が必要であることです。NGSは事前知識を必要としないため、植物や動物のゲノムのシーケンスに非常に優れたツールです。
Q：NovaSeq 6000システムでどのような種をシーケンスしていますか？
CJ：NovaSeq 6000システムで実施している研究は、当社のクライアントベースと同じくらい広範です。当社は、この技術を使用して、最小の細菌から昆虫、動物、および最大規模の植物種まで、さまざまな種にわたってde novoシーケンスを実施しています。アニマルは、獅子やその他の大きな野生の猫種、その他のさまざまな野生生物や昆虫種など、農業種と幅広く協力してきました。例えば、ダニ、アリ、キシングバグ、蚊、シカ、ウズラ、フェラル豚、プレーリー鶏、ヤギ、カエル、トウモロコシ、トマト、小麦、米、バクテリア、綿、真菌の5種の種でプロジェクトを終了しました。
Q：NovaSeq 6000システムはあなたの研究をどのように変えましたか？
CJ：NovaSeq 6000システムは、大きな前進を象徴しています。シーケンスのコストは大幅に低下しました。農業や野生生物の研究では、コストが大きな問題となっています。NovaSeq 6000システムを使用する前は、ライブラリー調製とシーケンスのコストが高く、分析の質が低いため、大規模なNGS研究を行うことは困難でした。今日、私たちはこれまで以上に大規模な研究を行い、数百、あるいは数百万、あるいは数百万の異なる農作物を扱うブリーダーにより多くの情報を提供することができます。NovaSeq 6000システムの改良された分析により、より少ないデータからより多くの情報を得ることができます。これにより、カバー範囲の狭いシーケンスを実行したり、AgSeqと呼ばれるように年間数十万のサンプルのシーケンスを実行したりすることができます。
NovaSeq 6000システムのもう1つの利点は、非常に柔軟性があることです。NovaSeq 6000システムを所有することは、1つのシステムに8つの異なるシーケンサーがあるようなものです。S4フローセルにより、以前のシステムよりも桁違いに多くのデータを取得できます。前回のS4ランでは、1つのフローセルに5,000サンプルがありました。しかし、必ずしもそれほど多くのデータが必要なわけではありません。S Prime、S1、またはS2フローセルを使用して出力を調整できます。また、NovaSeq Xpワークフローにより、各フローセルレーンを個別にロードして、レーン間で異なるプロジェクトやメソッドを分離できる柔軟性も得られます。
NovaSeq S Primeフローセルは真のゲームチェンジャーです。HiSeq 4000 System 150ペアエンドランと同じコストで、NovaSeq 6000 Systemランから250ペアエンドリードを取得できるようになりました。
NovaSeq 6000システムも高速です。これまで、シーケンスランには4～10日かかります。今では2.5日かかります。素晴らしい機械です
今日では、これまで以上に大規模な研究を実施でき、数百、あるいは数百万ではないにしても、さまざまな農作物を扱うブリーダーにより多くの情報を提供することができます。
Q：研究でiSeq 100システムをどのように使用しますか？
CJ：iSeq 100システムの主な用途は、検査ライブラリーの品質管理です。ハイスループットシーケンスランでは品質管理が重要です。30～40のサンプルのマルチプレックスを行う可能性のあるヒトゲノムシーケンスラボとは異なり、10～20の研究で何千ものマルチプレックスを行っています。例えば、1回のAgSeqランで最大12,000のサンプルが採取できる場合、十分なバーコードがあります。毎日、iSeq 100とNovaSeq 6000システムを連携して使用しています。強力なデュオです。
iSeq 100システムは、細菌などの非常に小さなゲノムのシーケンスにも使用できます。これは、より小さな研究を持ち、ターンアラウンドタイムを短縮したい大学の教職員が利用できます。高品質のデータを提供し、手頃な価格で使いやすいiSeq 100システムを購入するよう勧めました。箱から取り出し、コンセントに差し込み、インターネットに接続すると、試薬の融解時間よりも短い時間でシーケンスを行うことができます。250のペアエンドリードを追加することで、素晴らしいシーケンスツールになります。
Q：イルミナでの勤務経験はどのようなものでしたか？
CJ：イルミナでの私の道のりは、FDAマイクロアレイ品質管理プロジェクト（MAQC）の一端を担う2004年に始まりました。MAQCでは、さまざまなマイクロアレイテクノロジーの性能を評価しました。当時でもイルミナは品質データで知られており、最高のプラットフォームの1つでした。2010年にAgriLifeに入社したとき、2台のゲノムアナライザーとIIxシステムがありました。12～18か月ごとに最新のシーケンステクノロジーにアップグレードしました。2019年4月には、年間100,000を超えるサンプルを処理できる数百万ドル規模の最先端のNGS施設に移行する予定です。今後、この容量を2倍にする予定です。イルミナのNGSシステムですべてのサンプルをシーケンスします。
イルミナのサイエンティストの質とオペレーション全体に常に感銘を受けました。イルミナと仕事をするにあたり、私たちは顧客以上の協力者であると感じています。これは、双方の事業体が双方にとって有利な状況に向かって前進しているパートナーシップです。私は、イルミナが長年にわたって当社の成功を支えてきたと確信しています。
NovaSeq 6000システムの所有は、1つのシステムに8つの異なるシーケンサーがあるようなものです。
Q：NGSの新たなアプリケーションとは？
CJ：価格が下がってアナリティクスが改善し続けるにつれ、NGSはシーケンスの爆発的な増加を加速します。年間数十万または数百万のサンプルのシーケンスを行います。これは種ごとに異なるため、毎年10万人のトウモロコシサンプル、10万人の牛サンプル、またはさらに高いゲノムシーケンスプロジェクトを想定してください。それがこのテクノロジーの力です。すでに数百万のサンプルのジェノタイピングを行っているアグリビジネスと会っています。そのほとんどは、古いテクノロジーからシーケンスに移行していると思います。変異を同定する場合、動物や植物などあたりのデータ使用量を減らすには、非常に多数のシーケンスを行うのが理想的です。
NGSは作物と動物の改善において非常に強力なツールだと考えています。プロセスへの統合が始まっています。各作物種をシーケンスして、これで終わらせるというわけではありません。毎年、すべてのブリーダーの作物ラインのシーケンスを行う予定です。すべての植物/動物種をシーケンスできるという考えは、大きな力になるかもしれませんが、その地域で作業しているグループがあります。
Q：自動フェノタイピングとは？
CJ：最近まで、フェノタイピングは現場に出て植物を測定することで行われていました。文字通り、学生の軍隊を現場に送り込み、メータースティックやノートを持って歩き回る。ゲノミクスはそこにありましたが、フェノタイピングは障害でした。無人航空機（UAV）などの自動化技術の台頭により、すべてが変わりました。テキサスA&Mでは現在、定期的にUAVを使用して、8時間で何百エーカーもの敷地を飛行し、測定しています。それは何年も前は不可能でした。
Q：NGSへの移行を検討している研究者にどのようなアドバイスをしますか？
CJ：やるだけです NGSに移行する場合、最初に重視すべきことは実験デザインです。どれだけのデータを持っているか、あるいはそのデータの品質さえ関係ありません。設計が不十分な実験であれば、必要なデータを得ることはできません。質の高いデータに代わるものはなく、悪い研究デザインを良いものにする魔法や統計も存在しません。次に、優れたサービスプロバイダー、一緒に仕事をできる人、信頼できる人を見つけてください。
将来的には、農家がゲノミクスを使用して、この分野の真菌病原体や昆虫を同定する世界を想像することができます。NGSのコスト削減により実現します。
Q：NovaSeq 6000システムを使用して研究を行うことを検討している研究者には何と言いますか？
CJ：NovaSeq 6000システムは、お客様と共に成長するテクノロジーです。S Prime、S1、またはS2の小さなフローセルから始めて、必要に応じてS4に分岐するとよいでしょう。今はS4を必要としないかもしれませんが、ニーズが増大するにつれ、数年も持続し成長するシステムにご興味があるかもしれません。これは大きな問題です。特に学界では、資金が1回しか得られない可能性があります。
Q：5～10年後のアグリゲノミクスの分野はどこだと思いますか？
CJ：10年後には、アグリゲノミクスは今日よりもはるかに一般的になります。将来的には、農家がゲノミクスを使用して、この分野の真菌病原体や昆虫を同定する世界を想像することができます。NGSのコスト削減により実現します。
Q：ゲノミクスに加わるのは今がエキサイティングな時期だと思いますか？
CJ：毎年、ゲノミクスに関与するのに最もエキサイティングな時期だと言っています。最近、私はSci-Fi映画の世界で働くと説明しました。その違いは、毎年ゲノミクス技術が進歩しており、5～10年前には不可能だった研究が現在は日常的に行われていることです。例えば、48時間で48のゲノムをシーケンスする能力は、以前はSFでした。今日では、アフリカやアマゾンの最も深い場所から箱に入れて出荷されたサンプルをシーケンスすることができます。明日は何をもたらすか？ 知ってるけど すごいよ