tooluniverse-plant-genomics

植物ゲノミクスと生物学

ToolUniverse ツールを使用して、植物遺伝子、代謝経路、種の分類、植物の比較生物学を調査するためのパイプラインです。

推論戦略

植物のゲノムは大きく（コムギは約 17 Gb で、ヒトの 3 Gb と比べて大きい）、倍数性を持つこともよくあります。コムギは六倍体（AABBDD）で、ほとんどの遺伝子に相同なコピーが 3 つあります。植物の遺伝子をシロイヌナズナと比較する場合は、全ゲノム重複を必ず考慮してください。シロイヌナズナの単一の遺伝子に対し、作物種では 2～4 個のパラログが存在し、すべて機能が分化している可能性があります。植物では、遺伝子ファミリー（受容体様キナーゼ、シトクロム P450、転写因子など）が動物と比べて大幅に拡大しています。BLAST のヒットがあっても、機能が同等とは限りません。シロイヌナズナは主要なモデル生物ですが、ゲノムが小さくライフサイクルが短いため、木質形成、窒素固定共生、C4 光合成などの特徴は備えておらず、ほかの種で研究する必要があります。

推測せずに調べる：倍数性を持つ種では、配列類似性だけで遺伝子の機能を推定しないでください。UniProt（レビュー済みエントリー）または PlantReactome で、機能検証のエビデンスを確認してください。KEGG の生物種コードを推測しないでください。表を参照するか、kegg_search_pathway に種名を指定して、利用可能かどうかを確認してください。

主な原則：

1. 植物固有の経路 — 光合成、二次代謝、ホルモンシグナル伝達は植物に特有です
2. 基盤としての PlantReactome — 種を横断して（イネ、シロイヌナズナ、トウモロコシなど）対応する、キュレーション済みの植物経路データベースです
3. ゲノミクスには Ensembl Plants — 遺伝子の検索とアノテーションには、植物種名を指定して Ensembl を使用します
4. 代謝には KEGG — KEGG には植物固有の生物種コードがあります（ath＝シロイヌナズナ、osa＝イネ、zma＝トウモロコシ）
5. エビデンスの評価 — T1：機能検証（変異体の表現型）、T2：発現／局在データ、T3：オルソログに基づく予測、T4：計算によるアノテーションのみ

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使用する場面

• 「［植物遺伝子］が関与する経路は何ですか？」
• 「フラボノイド生合成経路の遺伝子を見つける」
• 「シロイヌナズナとイネで［遺伝子］を比較する」
• 「［植物名］は何の種ですか？」
• 「植物ホルモンのシグナル伝達経路」
• 「光合成遺伝子のアノテーション」

このスキルの対象外：一般的な経路解析（ヒト／マウス）には tooluniverse-systems-biology を使用してください。系統学には tooluniverse-phylogenetics を使用してください。

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コアツール

ツール	用途
PlantReactome_search_pathways	キーワードで植物固有の経路を検索します
PlantReactome_get_pathway	経路の詳細（遺伝子、反応、種）を取得します
PlantReactome_list_species	PlantReactome が対象とするすべての種を一覧表示します
POWO_search_plants	Plants of the World Online を検索します（分類、分布）
USDA_plants_get_profile	PLANTS シンボルによる米国の植物プロファイル（例：symbol="ABBA"）— 分類、成長形態、生活期間、在来種かどうか。北米の植物相にはこちらを使用します
USDA_plants_get_characteristics	PLANTS シンボルの形態・生理学的形質の記録。成長形態や生理学的形質が必要な質問で使用します
ensembl_lookup_gene	遺伝子を検索します — 植物の種とともに使用します（例：species="arabidopsis_thaliana"）
BAR_get_gene_info / BAR_get_rnaseq_expression	植物の遺伝子発現（RNA-seq）— このスキルで不足していた発現データの情報源です
Planteome_search_terms / Planteome_get_term / Planteome_search_annotations	植物オントロジー（形質、構造、生育段階の用語）および遺伝子と用語のアノテーション。GO 形式ですが、植物に特化しています
kegg_search_pathway	KEGG 経路を検索します（植物の生物種コードを使用：ath、osa、zma）
KEGG_get_pathway_genes	植物の経路に含まれる遺伝子を取得します（例：Arabidopsis のフラボノイド経路には pathway_id="ath00941"）
UniProt_search	植物のタンパク質配列を検索します（Arabidopsis には taxonomy_id:3702 を追加）
UniProt_get_function_by_accession	タンパク質の機能アノテーションを取得します
PubMed_search_articles	植物生物学の文献を検索します
EnsemblCompara_get_orthologues	種をまたいだ植物遺伝子の比較

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ワークフロー

Phase 0: Species & Gene Identification
  Species name → POWO taxonomy; Gene symbol → Ensembl/UniProt IDs
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Phase 1: Gene Function & Annotation
  UniProt function, Ensembl annotation, InterPro domains
    |
Phase 2: Pathway Analysis
  PlantReactome → plant-specific pathways; KEGG → metabolism
    |
Phase 3: Cross-Species Comparison
  Ensembl Compara → orthologs in other plant species
    |
Phase 4: Literature & Report
  PubMed → published studies; synthesis

フェーズ 1：遺伝子機能

# Look up an Arabidopsis gene
ensembl_lookup_gene(gene_symbol="CHS", species="arabidopsis_thaliana")
# Get protein function
UniProt_search(query="CHS AND taxonomy_id:3702 AND reviewed:true")

フェーズ 2：植物経路の分析

植物固有の主な KEGG 経路：

経路	KEGG ID（Arabidopsis）	生物学的意義
光合成	ath00195	光化学反応、電子伝達
炭素固定（カルビン回路）	ath00710	CO2 → 糖
フラボノイド生合成	ath00941	紫外線保護、色素形成、防御
カロテノイド生合成	ath00906	光防護、ビタミン A 前駆体
オーキシンシグナル伝達	ath04075	成長、屈性
ブラシノステロイドシグナル伝達	ath04712	細胞伸長、ストレス応答
概日リズム（植物）	ath04712	日長、開花時期
テルペノイド骨格	ath00900	二次代謝産物の前駆体
デンプン・ショ糖代謝	ath00500	炭素の分配
窒素代謝	ath00910	窒素同化

# Search PlantReactome for flavonoid pathway
PlantReactome_search_pathways(query="flavonoid")
# Get genes in Arabidopsis flavonoid biosynthesis
KEGG_get_pathway_genes(pathway_id="ath00941")

フェーズ 3：種の比較

主要作物の KEGG 生物種コード：

種	コード	一般名
Arabidopsis thaliana	ath	シロイヌナズナ（モデル植物）
Oryza sativa	osa	イネ
Zea mays	zma	トウモロコシ
Triticum aestivum	tae	コムギ
Glycine max	gmx	ダイズ
Solanum lycopersicum	sly	トマト
Nicotiana tabacum	nta	タバコ
Medicago truncatula	mtr	タルウマゴヤシ（マメ科のモデル植物）

フェーズ 4：解釈の枠組み

エビデンスの評価：T1 = 変異体の表現型によって機能が確認されている、T2 = 発現・局在データがある、T3 = モデル種でオルソログの機能が検証されている、T4 = 計算によるアノテーションのみ（ドメイン／GO 用語）。T1/T2 のエビデンスを優先し、T3/T4 はさらなる検証が必要な仮説として扱ってください。

統合のための質問

1. その遺伝子は植物固有ですか、それとも保存されていますか？（植物固有の遺伝子は二次代謝に関わることが多く、保存された遺伝子は一次代謝に関わることが多いです）
2. どの組織・発生段階で発現しますか？（根、シュート、花、種子のいずれか）
3. 作物改良への応用可能性はありますか？（収量、ストレス耐性、栄養品質）
4. どのような制御機構が働いていますか？（ホルモン応答性、光制御、概日リズム）
5. 既知の表現型をもつ自然変異体はありますか？（Arabidopsis 1001 Genomes におけるアクセッションの多様性）

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制限事項

• TAIR ツールはありません — Arabidopsis Information Resource には公開 REST API がありません。Arabidopsis の遺伝子データには、代替として Ensembl Plants と UniProt を使用してください。
• PlantReactome のカバー範囲 — Oryza sativa（イネ）を中心に、Arabidopsis への相互参照を提供しています。すべての植物種が同程度にカバーされているわけではありません。
• 作物育種ツールはありません — このスキルは遺伝子／経路解析を対象としており、マーカー選抜や育種シミュレーションは対象外です。
• POWO は分類に特化しています — Plants of the World Online は種の同定と分布情報を提供しますが、ゲノミクスデータは提供しません。