花粉数を减少させる遗伝子を発见?进化理论の実証から育种技术へ?
2020.06.09
- プレスリリース
- 研究
花粉数を减少させる遗伝子を発见
?进化理论の実証から育种技术へ?
『Nature Communications』に掲載
横浜市立大学 木原生物学研究所 清水健太郎客員教授（チューリヒ大学 教授兼任）、千葉大学 土松隆志客員准教授（東京大学大学院理学系研究科 准教授兼任）、新潟大学 角井宏行特任助教（前横浜市立大学 特任助教）らの研究グループは、名古屋大学、ドイツ、オーストリアの研究機関を含む国際的な共同研究で、植物の花粉数を制御する遺伝子RDP1を同定しました。また、ゲノム編集を用いて系統 （品種）間の量的な形質（*1）のわずかな差を検出する方法を確立しました。RDP1遗伝子の系统间でのわずかな机能の违いを、この方法により定量的に示すことに成功しました。さらに、ゲノム配列中の変异の频度を系统间で比较することにより、自家生殖（*2）する植物では、精细胞の数つまり花粉の数を减らすことが有利になりうるという进化生物学の理论を里付けました。
花粉の数を制御することは、効率的な交配のために花粉数を増やしたり、花粉症への対策のために花粉数を减らしたりといった実用化が期待され、农学的な视点からも医学的な视点からも注目を集めています。今后、本研究によって同定されたRDP1遗伝子を利用して植物の花粉数を制御する育种技术の开発が期待されます。
※本研究は『Nature Communications』に掲載されました。
花粉の数を制御することは、効率的な交配のために花粉数を増やしたり、花粉症への対策のために花粉数を减らしたりといった実用化が期待され、农学的な视点からも医学的な视点からも注目を集めています。今后、本研究によって同定されたRDP1遗伝子を利用して植物の花粉数を制御する育种技术の开発が期待されます。
※本研究は『Nature Communications』に掲載されました。
研究成果のポイント
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研究の背景
进化生物学の観点からは、配偶子（*3）の数は子孙の数に直结する重要な形质であると考えられています。19世纪にダーウィンが、精细胞や精子といったオスの配偶子の数に个体间や种间での差があることを论じて以来、オスの配偶子の数の违いに関してさまざまな研究が行われてきました。特に植物の进化生物学の分野では、同一个体内で自殖する植物种では花粉の数が少ない方がエネルギーを种子生产などに投资することができるため有利である、という理论が提唱されています。実际、栽培化が进んでいるイネなどの作物品种では、野生种に比べて花粉数が减っていると言われています。また、育种学の観点からは交配に必要な花粉数を十分に确保するために花粉の多い品种が求められている一方、医学の分野では花粉症患者の増加から花粉の少ない品种の作出に期待が集まっています。
このように、さまざまな分野で花粉数を制御する技术が期待されていますが、花粉数のような量的形质は遗伝子の同定が难しいとされていました。これは量的形质が1）形质を评価するために必要なデータ数が多い、2）多数の遗伝子や环境条件が関与して决定づけられているため、一つの遗伝子が表现型に与える影响が小さいことが原因と考えられています。このような研究上の难しさがある一方で、育种の対象となるような形质の多くは量的形质であることが知られています。
このように、さまざまな分野で花粉数を制御する技术が期待されていますが、花粉数のような量的形质は遗伝子の同定が难しいとされていました。これは量的形质が1）形质を评価するために必要なデータ数が多い、2）多数の遗伝子や环境条件が関与して决定づけられているため、一つの遗伝子が表现型に与える影响が小さいことが原因と考えられています。このような研究上の难しさがある一方で、育种の対象となるような形质の多くは量的形质であることが知られています。
研究の内容
花粉数という量的形質を制御する遺伝子を同定するには多くのデータ数が必要であったため、我々は、まず多検体の花粉数を短時間で計測できる実験系を確立しました（図1）。モデル植物であるシロイヌナズナの系統毎の花粉数を調べたところ、系統の違いによって1花あたりの花粉の数が2,000粒のものから8,000粒のものまで幅があることを明らかにしました（図2）。次に、SNP（*4一塩基多型：Single Nucleotide Polymorphism）と呼ばれるゲノム中のDNA配列の系統間の違いと花粉数の相関に注目しました。系統間の花粉数の違いと相関する染色体上のSNPの位置を複数特定し、最も相関の高いSNPについて、その周辺に位置する遺伝子を3つ選抜しました。このような手法はゲノムワイド関連解析（Genome-Wide Association Studies, GWAS *5）と呼ばれます（図3）。こうして選抜した3つの遺伝子について、ゲノム編集技術（*6）を用いてそれぞれの遺伝子の機能を破壊して解析したところ、ある一つの遺伝子の変異体で有意に花粉数が減少し、花粉数を制御する遺伝子を特定できました。我々は、花粉数が減少するという表現型から、この遺伝子をREDUCED POLLEN NUMBER1（搁顿笔1）と名付けました（図4）。
続いて、花粉数が多い系统と少ない系统でRDP1遗伝子の机能がどの程度违うのかについて検証を行いました。先述の通り、花粉数のような量的形质はさまざまな要因が复合しているため、それぞれの系统でRDP1遗伝子を破壊した结果からだけではその遗伝子の机能の强弱を比较できません。これはRDP1以外のゲノム配列にも系统间で异なる部分が多々あるからです。そこで、まずそれぞれの系统のRDP1遗伝子をゲノム编集で破壊した変异体を作製し、それらを交配することで、RDP1遗伝子以外のゲノム配列を全て揃えた検体を用意しました。この検体を用い、RDP1遗伝子の违いと花粉数の相関について调べた结果、系统间のRDP1の机能の仅かな违いによって、花粉数が异なることを示すことに成功しました。
さらに、RDP1遗伝子周辺のゲノム配列の変异を系统间で比较したところ、花粉数の少ない系统のRDP1遗伝子の周辺には変异が少なかったことから、花粉数を少なくするRDP1遗伝子が进化の过程で选択されて来た形跡を検出できました。これらの结果から、自殖植物であるシロイヌナズナにおいて、花粉の数が减っていることが进化上有利であったという理论を具体的に支持する结果を得ました。
続いて、花粉数が多い系统と少ない系统でRDP1遗伝子の机能がどの程度违うのかについて検証を行いました。先述の通り、花粉数のような量的形质はさまざまな要因が复合しているため、それぞれの系统でRDP1遗伝子を破壊した结果からだけではその遗伝子の机能の强弱を比较できません。これはRDP1以外のゲノム配列にも系统间で异なる部分が多々あるからです。そこで、まずそれぞれの系统のRDP1遗伝子をゲノム编集で破壊した変异体を作製し、それらを交配することで、RDP1遗伝子以外のゲノム配列を全て揃えた検体を用意しました。この検体を用い、RDP1遗伝子の违いと花粉数の相関について调べた结果、系统间のRDP1の机能の仅かな违いによって、花粉数が异なることを示すことに成功しました。
さらに、RDP1遗伝子周辺のゲノム配列の変异を系统间で比较したところ、花粉数の少ない系统のRDP1遗伝子の周辺には変异が少なかったことから、花粉数を少なくするRDP1遗伝子が进化の过程で选択されて来た形跡を検出できました。これらの结果から、自殖植物であるシロイヌナズナにおいて、花粉の数が减っていることが进化上有利であったという理论を具体的に支持する结果を得ました。
図１ 花粉数计测中の风景 量的形质である花粉数の违いを検出するため、多検体を短时间で计测できる実験系を确立した。これまでの顕微镜下で花粉数を数えていた场合に比べて５倍以上の効率を実现した。
図２ シロイヌナズナにおける花粉数の分布 花粉数の多い系统（补）と少ない系统（产）の雄しべの切片画像。（肠）144系统を调べた结果の种内のばらつき。横轴は対数表示。（1花あたりの花粉数は2000-8000粒と差がみられる。（论文より）
図3 骋奥础厂の结果を示すマンハッタンプロット １つの点が使用した厂狈笔に対応している。色の违いは染色体の违い。高い位置にあればあるほどその厂狈笔の违いと表现型（今回は花粉数）の违いの相関が高い、つまり原因遗伝子が近傍にある可能性が高いことを示している。今回、有意だった场所以外にも何箇所か高い相関を示すところがあり、他の遗伝子の関与も予想される。拡大図中の矢印は遗伝子の位置と方向を示している。オレンジの遗伝子が今回の発见となったRDP1遗伝子。&苍产蝉辫;
図4 シロイヌナズナの花の构造 （左）と雄しべのアレキサンダー染色画像（右）。生きた花粉が紫色に染色されている。野生型と比较するとrdp1変异体の雄しべ内の花粉が顕着に减少していることが観察された。
今后の展开
花粉の数を制御することは、効率的な交配のために花粉数を増やしたり、花粉症への対策のために花粉数を减らしたりといった実用化が期待され、农学的な视点からも医学的な视点からも重要であり、本研究によって同定された搁顿笔1遗伝子は育种の有力な标的遗伝子として见込みがあります。
花粉の数を制御する遗伝子は复数存在することが、本研究の结果から示されました。今后花粉数を制御するRDP1以外の因子の研究が进めば、それらの因子の组合せにより、花粉の数を自在に制御することで育种や医疗への応用利用に発展すると考えられます。
また、本研究で我々が确立した同一种内の系统间の量的な仅かな违いを検出する手法は、动物植物问わず、他の実験生物にも使用できます。量的形质の花粉数以外の例としては、乳用牛の繁殖性や肉用牛の食味、穀物の収量などが挙げられます。これらの形质について相関の见られる遗伝子を同定し、その遗伝子の机能の系统（品种）间での仅かな违いを検出することで、その知见を育种へと応用できるものと期待されます。
花粉の数を制御する遗伝子は复数存在することが、本研究の结果から示されました。今后花粉数を制御するRDP1以外の因子の研究が进めば、それらの因子の组合せにより、花粉の数を自在に制御することで育种や医疗への応用利用に発展すると考えられます。
また、本研究で我々が确立した同一种内の系统间の量的な仅かな违いを検出する手法は、动物植物问わず、他の実験生物にも使用できます。量的形质の花粉数以外の例としては、乳用牛の繁殖性や肉用牛の食味、穀物の収量などが挙げられます。これらの形质について相関の见られる遗伝子を同定し、その遗伝子の机能の系统（品种）间での仅かな违いを検出することで、その知见を育种へと応用できるものと期待されます。
用语説明
*1 量的形質
ヒトの背の高さやコメの粒数といった连続的な値を取る形质。复数の遗伝子の効果の総和によって决定されていることが多い。础叠翱式血液型やエンドウマメの形が丸いか、しわがあるかといった非连続で容易に区别できる形质は质的形质という。质的形质は１つまたは２つ程度の少数の遗伝子で决定されていることが多い。花粉数という量的形质は质的形质に比べて、制御する遗伝子を同定することは困难で、例えば花粉を全く作らなくなる原因の遗伝子はこれまでも同定されていたが、花粉の数が多い、少ないというような形质に関わる遗伝子はこれまで同定されていなかった。
*2 自家生殖
同一の植物个体のなかで受粉し起こる生殖の仕组み。自殖ともいう。别の个体间で起こる生殖の仕组みは他殖と呼ばれる。
*3 配偶子（はいぐうし）
生物の生殖细胞の中で、接合して新しい个体を作るものを配偶子という。种子植物の场合は胚珠内の卵细胞と花粉内の精细胞を指す。ヒトの场合、成熟した卵子と精子のことを指す。
*4 SNP一塩基多型（Single Nucleotide Polymorphism）
同じ种の集団の中に存在するゲノム配列内の违いの中で、一塩基の违いをこう呼ぶ。読み方はスニップ。
*5 ゲノムワイド関連解析（Genome-Wide Association Studies, GWAS）
表现型の违いと顿狈础の违い（特に厂狈笔）の関连を调べることにより、兴味のある表现型と関连する厂狈笔を検出する手法。読み方はジーワス。
*6 ゲノム編集技術
人工の顿狈础切断システムを利用して、标的遗伝子の顿狈础配列を高い精度で编集?改変する技术。本研究では、颁搁滨厂笔搁/颁补蝉9というゲノム编集手法を用いた。
ヒトの背の高さやコメの粒数といった连続的な値を取る形质。复数の遗伝子の効果の総和によって决定されていることが多い。础叠翱式血液型やエンドウマメの形が丸いか、しわがあるかといった非连続で容易に区别できる形质は质的形质という。质的形质は１つまたは２つ程度の少数の遗伝子で决定されていることが多い。花粉数という量的形质は质的形质に比べて、制御する遗伝子を同定することは困难で、例えば花粉を全く作らなくなる原因の遗伝子はこれまでも同定されていたが、花粉の数が多い、少ないというような形质に関わる遗伝子はこれまで同定されていなかった。
*2 自家生殖
同一の植物个体のなかで受粉し起こる生殖の仕组み。自殖ともいう。别の个体间で起こる生殖の仕组みは他殖と呼ばれる。
*3 配偶子（はいぐうし）
生物の生殖细胞の中で、接合して新しい个体を作るものを配偶子という。种子植物の场合は胚珠内の卵细胞と花粉内の精细胞を指す。ヒトの场合、成熟した卵子と精子のことを指す。
*4 SNP一塩基多型（Single Nucleotide Polymorphism）
同じ种の集団の中に存在するゲノム配列内の违いの中で、一塩基の违いをこう呼ぶ。読み方はスニップ。
*5 ゲノムワイド関連解析（Genome-Wide Association Studies, GWAS）
表现型の违いと顿狈础の违い（特に厂狈笔）の関连を调べることにより、兴味のある表现型と関连する厂狈笔を検出する手法。読み方はジーワス。
*6 ゲノム編集技術
人工の顿狈础切断システムを利用して、标的遗伝子の顿狈础配列を高い精度で编集?改変する技术。本研究では、颁搁滨厂笔搁/颁补蝉9というゲノム编集手法を用いた。
论文情报
タイトル: Adaptive reduction of male gamete number in the selfing plant Arabidopsis thaliana
著者: Takashi Tsuchimatsu*, Hiroyuki Kakui*, Misako Yamazaki, Cindy Marona, Hiroki Tsutsui, Afif Hedhly, Dazhe Meng, Yutaka Sato, Thomas Städler, Ueli Grossniklaus, Masahiro M. Kanaoka, Michael Lenhard, Magnus Nordborg and Kentaro K. Shimizu （* は共に筆頭著者）
掲载誌: Nature Communications DOI:
※本研究は、科学技術振興機構（JST）CREST「環境変動に対する植物の頑健性の解明と応用に向けた基盤技術の創出」、文部科学省科研費 新学術領域研究「植物新種誕生の原理」などの支援を受けてスイス、日本、ドイツ、オーストリアの４カ国、計８研究機関の国際的研究として遂行しました。
著者: Takashi Tsuchimatsu*, Hiroyuki Kakui*, Misako Yamazaki, Cindy Marona, Hiroki Tsutsui, Afif Hedhly, Dazhe Meng, Yutaka Sato, Thomas Städler, Ueli Grossniklaus, Masahiro M. Kanaoka, Michael Lenhard, Magnus Nordborg and Kentaro K. Shimizu （* は共に筆頭著者）
掲载誌: Nature Communications DOI:
※本研究は、科学技術振興機構（JST）CREST「環境変動に対する植物の頑健性の解明と応用に向けた基盤技術の創出」、文部科学省科研費 新学術領域研究「植物新種誕生の原理」などの支援を受けてスイス、日本、ドイツ、オーストリアの４カ国、計８研究機関の国際的研究として遂行しました。
问い合わせ先
(研究の内容に関するお问い合わせ)
横浜市立大学 木原生物学研究所 客员教授 清水健太郎
（スイス?チューリッヒ大学 進化生物?環境学研究所 教授）
TEL：+41 44 63 56740（チューリッヒ大学）
罢贰尝：045-820-2429（木原生物学研究所）
贰-尘补颈濒：kentaro.shimizu@ieu.uzh.ch
(取材対応窓口、资料请求など)
横浜市立大学 研究?产学连携推进课 研究企画担当
罢贰尝：045-787-2527
E-mail : kenkyupr@yokohama-cu.ac.jp