牧野富太郎博士が命名した植物を使って ダーウィンの研究した自家受精進化の謎を解明～新たな植物种の交配など栽培植物の育种の応用へ?
横浜市立大学 清水健太郎客員教授（チューリッヒ大学教授兼任）らの研究グループは、自家受精する植物が持つ遺伝子の変異を実験的に修復して、自家受精を防ぐ祖先植物のメカニズムを回復することに成功しました。
异なる2种间の雑种由来の倍数体植物では他家受精から自家受精への进化が频繁に见られることが知られていましたが、そのメカニズムは谜に包まれていました（図1左）。そこで、日本を中心に分布する倍数体植物ミヤマハタザオと、牧野富太郎博士が命名したことでも知られる亜种タチスズシロソウをモデル植物＊1として、ゲノム解析と遗伝子导入実験をおこないました。その结果、他家受精植物では低分子搁狈础を介して片亲ゲノム上にある自家受精拒絶システムが抑制されており、遗伝子が1つ変异しただけで自家受精が可能になることを明らかにしました（図1右）。この研究により、自家受精と他家受精のバランスを人為的に调节できる可能性が示され、これまで困难であった植物种の组み合わせでの交配が可能になるなど栽培植物の育种への贡献が期待されます。
本研究成果は、国際科学雑誌「Nature Communications」に掲載されました。（日本時間2023年11月29日19時）
异なる2种间の雑种由来の倍数体植物では他家受精から自家受精への进化が频繁に见られることが知られていましたが、そのメカニズムは谜に包まれていました（図1左）。そこで、日本を中心に分布する倍数体植物ミヤマハタザオと、牧野富太郎博士が命名したことでも知られる亜种タチスズシロソウをモデル植物＊1として、ゲノム解析と遗伝子导入実験をおこないました。その结果、他家受精植物では低分子搁狈础を介して片亲ゲノム上にある自家受精拒絶システムが抑制されており、遗伝子が1つ変异しただけで自家受精が可能になることを明らかにしました（図1右）。この研究により、自家受精と他家受精のバランスを人為的に调节できる可能性が示され、これまで困难であった植物种の组み合わせでの交配が可能になるなど栽培植物の育种への贡献が期待されます。
本研究成果は、国際科学雑誌「Nature Communications」に掲載されました。（日本時間2023年11月29日19時）
研究成果のポイント&苍产蝉辫;
● 自家受精の进化は、チャールズ?ダーウィンの先駆的研究以来、とくに雑种由来の倍数体の植物に多いことが知られていたが、そのメカニズムには谜が多かった。
● 倍数体种ミヤマハタザオの自家不和合性遗伝子SCR/SP11の変异を修復することにより、进化を逆流させて、祖先の自家不和合性を復元することに成功した。
● 牧野富太郎博士が命名した亜种タチスズシロソウの実験とあわせ、低分子搁狈础が倍数体种の自家受精の进化を促进した可能性を示した。
● 今回の発见を栽培植物に応用すれば、従来困难だった植物种の交配が可能になり、育种への贡献が期待できる。
研究背景
生物が生殖して子供を残す方法はさまざまです。多くの植物では１つの花の中で卵细胞とともに花粉に含まれる精细胞がつくられますが、自家不和合性とよばれる自己认识メカニズムによって同じ个体由来の卵细胞と精细胞の受精を防いでいます（他家受精）。対照的に、自家不和合性をもたず、１个体で卵细胞と精细胞の受精が可能である植物も存在します（自家受精）。チャールズ?ダーウィンは、なぜ自家受精する生物がいるのかに兴味を持ち、様々な植物を用いて自家受精実験を行ってその长所と短所を研究しました。実験の结果、自家受精の短所として、近亲交配による生育や繁殖の低下がみられました。しかし、数世代のうちにそうした有害な効果が取り除かれ、非常に生育の良い个体が、稀に现れうることを発见しました。そこで、ダーウィンは1876年の着书「植物の受精」の中で、环境変动などによって交配相手が少ない场合には、自家受精が有利であるため进化が起こりうる、という仮説を提唱しました。
植物種の約1/3を占める倍数体種では自家受精が多くみられます。しかし、その進化メカニズムは長く謎に包まれていました。ヒトを含めた二倍体種は母親（卵）と父親（精子）にそれぞれ由来する2セットの染色体DNA （ゲノム）を持ちますが、倍数体種では、種間交配などによってゲノムが重複して3セット以上に増加しています。セイヨウアブラナ（四倍体、４セット）やコムギ（六倍体、６セット）など有用植物に倍数体種が多いことが知られています。20世紀半ばに植物進化学に多大な貢献をしたレジャード?ステビンスは、植物倍数体種について次のような2つの矛盾した点を指摘しました。一方で、倍数体種では、自家受精の進化が促進されている。しかし一方で、倍数体種は遺伝子が増加して重複したために、突然変異の効果があらわれにくく、進化しづらいはずである（図1左）、と。ではどんな分子メカニズムによって倍数体種に自家受精が多く進化したのでしょうか？
チューリッヒ大学の清水研究室では、自家受精をするミヤマハタザオとその亜种であるタチスズシロソウ（牧野富太郎博士が命名）が、自家不和合性である2つの种由来の倍数体であることを约20年前に発见しました（図2）。それ以来、遗伝子导入を可能にするなど、新规のモデル倍数体植物として利用できる基盘を整え、ついに本研究で倍数体种が自家受精に进化したメカニズムを明らかにしました。
植物種の約1/3を占める倍数体種では自家受精が多くみられます。しかし、その進化メカニズムは長く謎に包まれていました。ヒトを含めた二倍体種は母親（卵）と父親（精子）にそれぞれ由来する2セットの染色体DNA （ゲノム）を持ちますが、倍数体種では、種間交配などによってゲノムが重複して3セット以上に増加しています。セイヨウアブラナ（四倍体、４セット）やコムギ（六倍体、６セット）など有用植物に倍数体種が多いことが知られています。20世紀半ばに植物進化学に多大な貢献をしたレジャード?ステビンスは、植物倍数体種について次のような2つの矛盾した点を指摘しました。一方で、倍数体種では、自家受精の進化が促進されている。しかし一方で、倍数体種は遺伝子が増加して重複したために、突然変異の効果があらわれにくく、進化しづらいはずである（図1左）、と。ではどんな分子メカニズムによって倍数体種に自家受精が多く進化したのでしょうか？
チューリッヒ大学の清水研究室では、自家受精をするミヤマハタザオとその亜种であるタチスズシロソウ（牧野富太郎博士が命名）が、自家不和合性である2つの种由来の倍数体であることを约20年前に発见しました（図2）。それ以来、遗伝子导入を可能にするなど、新规のモデル倍数体植物として利用できる基盘を整え、ついに本研究で倍数体种が自家受精に进化したメカニズムを明らかにしました。
研究内容
ミヤマハタザオが属するアブラナ科の自家不和合性は、オス特异性决定遗伝子SCR/SP11(以下SCR)と、メス特异性决定遗伝子SRKによって制御されており、両者はそれぞれ键と键穴のような役割をもちます。倍数体种ミヤマハタザオには、亲になった二倍体种の片亲のハクサンハタザオに由来するS遗伝子座(S-B)と、もう片亲の二倍体种セイヨウミヤマハタザオに由来するS遗伝子座(S-D)の2つが存在します。同じ遗伝子座由来の両遗伝子が発现して键と键穴が揃うと、自家不和合性となり自家受粉が成功しない仕组みです。つまり、ミヤマハタザオが自家受精するためには、S-BとS-Dの両方が机能しなくなるのが条件となります。顿狈础配列を详细に解析すると、メス侧のSRK遗伝子(SRK-B, SRK-D)はどちらも変异を持たず、键穴としての机能を保っていることが示されました。しかし、オス侧の2つのSCR遗伝子(SCR-B, SCR-D)では、前者は3,960塩基対の挿入配列を持ち、后者は遗伝子全体が欠失しているため、明らかに键としての机能は失われており、自家不和合性が失われて自家受精する原因となっていることが示唆されました。
そこで、これらの変异を人工的に修復することで、不和合性を復活させられるかどうか実験を行いました。ミヤマハタザオがもつSCR-Bの3,960塩基対の挿入配列を取り除いた配列をミヤマハタザオに导入したところ、祖先のもっていた自家不和合性を復活させることができました（図3）。この进化逆流実験により、SCR遗伝子に起きた変异が自家受精の进化に贡献したことが示されました。
対照的に、セイヨウミヤマハタザオのSCR遗伝子(SCR-D)をミヤマハタザオに復元してみたところ、予想に反して自家不和合性を復活させることはできませんでした。これは何を意味するのでしょうか？ここで、S遺伝子座に存在する低分子RNAに注目しました(Tarutani et al. 2010)。ハクサンハタザオ由来のS-B遗伝子座からは、24塩基の低分子搁狈础(mirS2)がつくられます。こうした低分子搁狈础は、二倍体种の対立遗伝子の间で、SCR遗伝子の制御领域に结合して顿狈础をメチル化し、エピジェネティックに遗伝子発现を抑制します（図1右）。SCR-Dを復元しても自家不和合性を復活させられなかったのは、亲种の一方であるハクサンハタザオ由来のS-B遗伝子座からのmirS2が、もう一方の亲种セイヨウミヤマハタザオ由来のSCR-Dの発现を抑制するためであることがわかりました。つまり、これは倍数体种の持つ2つの亲种に由来する2つのゲノムの间で低分子搁狈础の制御が成立することを証明するものです。
さらに、牧野富太郎博士が命名した亜种タチスズシロソウでは、mirS2がおそらく最近になって欠损したというユニークな特徴が见つかりました。そこで、タチスズシロソウにセイヨウミヤマハタザオのSCR-D遗伝子を导入すると自家不和合性が回復できました。つまり、导入したSCR-D遗伝子自体は键としての机能自体は备えているが、ミヤマハタザオでは低分子搁狈础(mirS2)による発现调整によってSCR遗伝子が机能しなくなっていることが确认できました（図1右）。
ここまでの遗伝学的な结果をまとめると、倍数体种ミヤマハタザオのSCR-B への3,960塩基対の挿入変异が自家受精をもたらしたことがわかりました。他方、SCR-Dは低分子搁狈础によって抑制されているので変异があってもなくても自家受精に変化はありません。ステビンスは、倍数体は遗伝子重复のために変异の効果が出にくくなるはずなのに频繁に自家受精への进化が见られる、という矛盾を指摘しましたが、両亲种由来の2つのゲノム间の低分子搁狈础の作用のおかげで片方のゲノムの変异だけで自家受精への进化が実现したのです。このことは、倍数体种でも自家受精が频繁に见られることと辻褄が合います。
そこで、これらの変异を人工的に修復することで、不和合性を復活させられるかどうか実験を行いました。ミヤマハタザオがもつSCR-Bの3,960塩基対の挿入配列を取り除いた配列をミヤマハタザオに导入したところ、祖先のもっていた自家不和合性を復活させることができました（図3）。この进化逆流実験により、SCR遗伝子に起きた変异が自家受精の进化に贡献したことが示されました。
対照的に、セイヨウミヤマハタザオのSCR遗伝子(SCR-D)をミヤマハタザオに復元してみたところ、予想に反して自家不和合性を復活させることはできませんでした。これは何を意味するのでしょうか？ここで、S遺伝子座に存在する低分子RNAに注目しました(Tarutani et al. 2010)。ハクサンハタザオ由来のS-B遗伝子座からは、24塩基の低分子搁狈础(mirS2)がつくられます。こうした低分子搁狈础は、二倍体种の対立遗伝子の间で、SCR遗伝子の制御领域に结合して顿狈础をメチル化し、エピジェネティックに遗伝子発现を抑制します（図1右）。SCR-Dを復元しても自家不和合性を復活させられなかったのは、亲种の一方であるハクサンハタザオ由来のS-B遗伝子座からのmirS2が、もう一方の亲种セイヨウミヤマハタザオ由来のSCR-Dの発现を抑制するためであることがわかりました。つまり、これは倍数体种の持つ2つの亲种に由来する2つのゲノムの间で低分子搁狈础の制御が成立することを証明するものです。
さらに、牧野富太郎博士が命名した亜种タチスズシロソウでは、mirS2がおそらく最近になって欠损したというユニークな特徴が见つかりました。そこで、タチスズシロソウにセイヨウミヤマハタザオのSCR-D遗伝子を导入すると自家不和合性が回復できました。つまり、导入したSCR-D遗伝子自体は键としての机能自体は备えているが、ミヤマハタザオでは低分子搁狈础(mirS2)による発现调整によってSCR遗伝子が机能しなくなっていることが确认できました（図1右）。
ここまでの遗伝学的な结果をまとめると、倍数体种ミヤマハタザオのSCR-B への3,960塩基対の挿入変异が自家受精をもたらしたことがわかりました。他方、SCR-Dは低分子搁狈础によって抑制されているので変异があってもなくても自家受精に変化はありません。ステビンスは、倍数体は遗伝子重复のために変异の効果が出にくくなるはずなのに频繁に自家受精への进化が见られる、という矛盾を指摘しましたが、両亲种由来の2つのゲノム间の低分子搁狈础の作用のおかげで片方のゲノムの変异だけで自家受精への进化が実现したのです。このことは、倍数体种でも自家受精が频繁に见られることと辻褄が合います。
今后の展开
自家受精と他家受精のバランスは、野生生物の保全の観点から重要であるだけでなく、栽培植物でも重要です。栽培植物では、自家受精は収量の増加など有用形质の维持のための育种に役立つ一方、ハイブリッド育种では自家不和合性が必要になります。本研究のように、人為的に自家受精と他家受精のメカニズムを制御することで、育种を促进できることが期待されます。
チャールズ?ダーウィンは自家受精が有利になる场合があるという仮説を1876年に提唱しました。この仮説に、精细胞を持つ花粉の方が卵细胞よりも数が多いという性の非対称性を组み合わせて、メス特异性遗伝子SRKよりもオス特异性遗伝子SCRの変异の方が自家受精の进化に贡献しやすいのでは、という理论仮説が提唱されていました。着者たちは2010年に二倍体种シロイヌナズナの変异がこの仮説の予测通りSCRに起きたことを示し(Tsuchimatsu et al. 2010)、今回さらに倍数体種ミヤマハタザオでも同様にSCRに起きたことを示したことから、复数の种でこの理论仮説を里付ける结果を得ることができました。また、こうした遗伝解析结果は、新种诞生などによって交配相手が少ない场合には自家受精が有利なこともあるというダーウィンの仮説を支持します。本研究は倍数体种の自家受精という形质に限らず、今后多くの种の様々な形质の研究に展开される可能性があるとともに、これまで困难であった植物种の组み合わせでの交配が可能になることが予想され、栽培作物への応用が期待できます。
チャールズ?ダーウィンは自家受精が有利になる场合があるという仮説を1876年に提唱しました。この仮説に、精细胞を持つ花粉の方が卵细胞よりも数が多いという性の非対称性を组み合わせて、メス特异性遗伝子SRKよりもオス特异性遗伝子SCRの変异の方が自家受精の进化に贡献しやすいのでは、という理论仮説が提唱されていました。着者たちは2010年に二倍体种シロイヌナズナの変异がこの仮説の予测通りSCRに起きたことを示し(Tsuchimatsu et al. 2010)、今回さらに倍数体種ミヤマハタザオでも同様にSCRに起きたことを示したことから、复数の种でこの理论仮説を里付ける结果を得ることができました。また、こうした遗伝解析结果は、新种诞生などによって交配相手が少ない场合には自家受精が有利なこともあるというダーウィンの仮説を支持します。本研究は倍数体种の自家受精という形质に限らず、今后多くの种の様々な形质の研究に展开される可能性があるとともに、これまで困难であった植物种の组み合わせでの交配が可能になることが予想され、栽培作物への応用が期待できます。
用语説明
＊1 モデル倍数体植物ミヤマハタザオ?タチスズシロソウ
倍数体は野生种?栽培种ともに重要でありながら、これまでの世界の植物遗伝子研究はアブラナ科シロイヌナズナなど2倍体种をモデル生物として行われてきた。それは、倍数体种のゲノム顿狈础が复雑であるために、重要であっても研究が难しかったからである。
ミヤマハタザオとその亜种タチスズシロソウは、2つの种ハクサンハタザオとセイヨウミヤマハタザオが种间交配し融合してできた倍数体种。両亲の二倍体种が他家受精をするのに対して、ミヤマハタザオは倍数体种の典型で、自家不和合性を失って自家受精をする。台湾から日本、朝鲜半岛、极东ロシアから北米まで広く分布し、遗伝的多様性の中心が日本にある。とくに、狈贬碍朝ドラ「らんまん」のモデルになった牧野富太郎博士によって、1913年に海岸?湖岸に分布する低地型の亜种タチスズシロソウの学名が命名された。さらに、世界中の植物学者が研究してきたモデル生物シロイヌナズナに近縁であるために、その遗伝子?ゲノム?実験技术などを容易に応用することができるため、倍数体种のモデル植物としても注目されている。
倍数体は野生种?栽培种ともに重要でありながら、これまでの世界の植物遗伝子研究はアブラナ科シロイヌナズナなど2倍体种をモデル生物として行われてきた。それは、倍数体种のゲノム顿狈础が复雑であるために、重要であっても研究が难しかったからである。
ミヤマハタザオとその亜种タチスズシロソウは、2つの种ハクサンハタザオとセイヨウミヤマハタザオが种间交配し融合してできた倍数体种。両亲の二倍体种が他家受精をするのに対して、ミヤマハタザオは倍数体种の典型で、自家不和合性を失って自家受精をする。台湾から日本、朝鲜半岛、极东ロシアから北米まで広く分布し、遗伝的多様性の中心が日本にある。とくに、狈贬碍朝ドラ「らんまん」のモデルになった牧野富太郎博士によって、1913年に海岸?湖岸に分布する低地型の亜种タチスズシロソウの学名が命名された。さらに、世界中の植物学者が研究してきたモデル生物シロイヌナズナに近縁であるために、その遗伝子?ゲノム?実験技术などを容易に応用することができるため、倍数体种のモデル植物としても注目されている。
研究费
本研究は、文部科学省科研费学術変革領域研究(A)「挑戦的両性花原理」、科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業JPMJCR16O3 （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」）、JSPS科研费22K21352（国際先導研究「植物生殖の鍵分子ネットワーク」）、スイス科学財団、チューリッヒ大学学内重点領域「進行中の進化」、チューリッヒ大学?東京大学?京都大学協力プログラムなどの支援を受けて実施されました。
论文情报
タイトル： Dominance in self-compatibility between subgenomes of allopolyploid Arabidopsis kamchatica shown by transgenic restoration of self-incompatibility
著者： Chow-Lih Yew, Takashi Tsuchimatsu, Rie Shimizu-Inatsugi, Shinsuke Yasuda, Masaomi Hatakeyama, Hiroyuki Kakui, Takuma Ohta, Keita Suwabe, Masao Watanabe, Seiji Takayama & Kentaro K. Shimizu
掲載雑誌： Nature Communications
顿翱滨：
著者： Chow-Lih Yew, Takashi Tsuchimatsu, Rie Shimizu-Inatsugi, Shinsuke Yasuda, Masaomi Hatakeyama, Hiroyuki Kakui, Takuma Ohta, Keita Suwabe, Masao Watanabe, Seiji Takayama & Kentaro K. Shimizu
掲載雑誌： Nature Communications
顿翱滨：
参考论文など
[1] Takashi Tsuchimatsu, Keita Suwabe, Rie Shimizu-Inatsugi, Sachiyo Isokawa, Pavlos Pavlidis, Thomas Städler, Go Suzuki, Seiji Takayama, Masao Watanabe, Kentaro K Shimizu. Evolution of self-compatibility in Arabidopsis by a mutation in the male specificity gene. Nature 464:1342-6, 2010. doi: 10.1038/nature08927.
[2] Yoshiaki Tarutani, Hiroshi Shiba, Megumi Iwano, Tomohiro Kakizaki, Go Suzuki, Masao Watanabe, Akira Isogai, Seiji Takayama. Trans-acting small RNA determines dominance relationships in Brassica self-incompatibility. Nature 466:983-6, 2010. doi: 10.1038/nature09308.
[3] チャールズ?ダーウィン著、矢原徹一訳（原書1876、訳2000）植物の受精（文一総合出版）ISBN 978-4-8299-0123-6.
[2] Yoshiaki Tarutani, Hiroshi Shiba, Megumi Iwano, Tomohiro Kakizaki, Go Suzuki, Masao Watanabe, Akira Isogai, Seiji Takayama. Trans-acting small RNA determines dominance relationships in Brassica self-incompatibility. Nature 466:983-6, 2010. doi: 10.1038/nature09308.
[3] チャールズ?ダーウィン著、矢原徹一訳（原書1876、訳2000）植物の受精（文一総合出版）ISBN 978-4-8299-0123-6.
お问合せ先
横浜市立大学 広报课
mail: koho@yokohama-cu.ac.jp
mail: koho@yokohama-cu.ac.jp
