コムギの収量を下げる有害変异の除去を目指して
?日本品种农林61号など世界10品种ゲノム顿狈础解析?
横浜市立大学木原生物学研究所 清水健太郎客員教授（チューリッヒ大学 進化生物?環境学研究所?所長?教授兼任）、新潟大学農学部 岡田萌子助教（前横浜市立大学特任助教）らの研究グループは、国際10+コムギゲノムプロジェクト＊１との共同研究で、日本を代表する品种である农林61号を含む、世界の普通系コムギ＊２10品种（図1）のゲノム顿狈础変异＊３と遗伝子発现の大规模解析を行い、有害突然変异にはたらく纯化选択（淘汰）＊４を网罗的に検出しました。その结果、根で発现しコムギの生育环境の拡大に関连する遗伝子群に、强い纯化选択が検出されました。これらの有害突然変异や纯化选択についての情报は、今后の世界のコムギ安定生产に向けた育种戦略に有用な情报基盘として、ゲノム育种を推进すると期待されます。
本研究成果は、国際科学誌「Cell Reports」に掲載されました（2026年1月27日午前1時公開）。
本研究成果は、国際科学誌「Cell Reports」に掲載されました（2026年1月27日午前1時公開）。
研究成果のポイント
● 日本を代表する普通系コムギ品種である農林61号など世界の10品種のゲノムDNAを解析し、有害突然変異への選択を検出した
● 根で発現し生育環境拡大に関連する遺伝子群の有害突然変異に、強い純化選択が見られた
● DNA情報を活用した新たな育種技術として、今回検出したような有害突然変異の除去による収量増加が期待される
研究背景
世界的な食粮価格の高腾が続く现在、迅速に収量の高い品种を育种することが强く求められています。なかでもコムギは世界で最も広い面积で栽培されている主要穀物であり、気候変动やウクライナ危机などの影响を受けて価格が大きく変动していることから、世界の食料安全保障において极めて重要な作物です。日本においてもコムギは弥生时代から栽培されてきた伝统的な穀物であり、うどん、パン、ラーメン、菓子など、日本の食生活を支えてきました。しかし、日本でもコムギ価格の上昇は深刻で、政府が输入小麦を民间に売り渡す価格は过去10年で约1.5倍に上昇しています。さらに日本のコムギ生产は20世纪半ば以降、大部分を输入に頼るようになり自给率の低さが课题となっています。
これまでの育种では、収量増加や环境ストレス、病害への抵抗性などに寄与する有用な変异を见つけ、それを改良したい品种に导入することで収量の増加を目指してきました。しかし、有用な変异の近くに未知の有害な変异が存在する场合、有用な変异だけを育种で导入することが难しく、希望通りの高収量を得られませんでした。
普通系コムギは3种由来の异质六倍体种であるため、机能的に冗长な同祖遗伝子（重复遗伝子）＊５を3つ持ちます。理论的には、倍数体种＊６では一つの同祖遗伝子に有害突然変异があっても、他の同祖遗伝子で补完できる（マスクされる）ため、有害突然変异の影响は小さいだろう、といわれていました。一方で、普通系コムギ品种同士を交配すると収量が上がる现象がみられることから、六倍体普通系コムギにおいても有害突然変异が収量に影响している可能性が指摘されてきましたが、巨大なゲノムサイズのため解析が困难でした。清水客员教授のチームは、モデル植物で培った解析手法をもとに、国际10+コムギゲノムプロジェクトとの共同研究により数年をかけてデータを取得してきました。
これまでの育种では、収量増加や环境ストレス、病害への抵抗性などに寄与する有用な変异を见つけ、それを改良したい品种に导入することで収量の増加を目指してきました。しかし、有用な変异の近くに未知の有害な変异が存在する场合、有用な変异だけを育种で导入することが难しく、希望通りの高収量を得られませんでした。
普通系コムギは3种由来の异质六倍体种であるため、机能的に冗长な同祖遗伝子（重复遗伝子）＊５を3つ持ちます。理论的には、倍数体种＊６では一つの同祖遗伝子に有害突然変异があっても、他の同祖遗伝子で补完できる（マスクされる）ため、有害突然変异の影响は小さいだろう、といわれていました。一方で、普通系コムギ品种同士を交配すると収量が上がる现象がみられることから、六倍体普通系コムギにおいても有害突然変异が収量に影响している可能性が指摘されてきましたが、巨大なゲノムサイズのため解析が困难でした。清水客员教授のチームは、モデル植物で培った解析手法をもとに、国际10+コムギゲノムプロジェクトとの共同研究により数年をかけてデータを取得してきました。
研究内容
本研究では、国际10+コムギゲノムプロジェクトで取得した高精度なゲノム顿狈础配列からの遗伝子同定と大规模遗伝子発现データの详细解析を行い、有害突然変异がどの程度纯化选択（淘汰）によって排除されているか定量しました（図2）。顿贵贰法＊７ などを用いた解析の结果、六倍体普通系コムギでもタンパク质を変える変异の50%以上が强い纯化选択を受けていました。上述したように、六倍体普通系コムギでは有害突然変异があったとしても、机能的に冗长な同祖遗伝子が互いに补完し合うために有害突然変异の影响は少ないと考えられていましたが、今回の解析から50%以上の変异が纯化选択を受けていたことが明らかとなり、六倍体普通系コムギでも有害突然変异が大きく影响することが示されました。
特に、顿サブゲノムにある「根で特异的に発现する遗伝子群」で强い纯化选択が検出されました。これらの遗伝子群は约8000年前に、二粒系コムギと、顿ゲノムを持つ野生种タルホコムギが交雑して、普通系コムギができたときにもたらされた遗伝子です。その后、これらの根で発现する遗伝子が起源地であるトランスコーカサス地方から全世界に分布域を拡大した际に、根の形态の変化、栄养吸収効率の向上、乾燥耐性の获得など环境顽健性や広域适応性をもたらした可能性が考えられます。
さらに、遗伝子数が3倍に増えたことが育种?进化を促进し得るのかどうかを解析したところ、３つの同祖遗伝子がそれぞれ别の选択を受けてきたという倾向が分かりました。この结果は、普通系コムギが3倍の数の遗伝子を持つことで、育种?进化のターゲットになる遗伝子の数が3倍に増えたことを意味します。つまりコムギの育种可能性（进化可能性）を上昇させ、広い环境に适応する环境顽健性に寄与した可能性が考えられます。
特に、顿サブゲノムにある「根で特异的に発现する遗伝子群」で强い纯化选択が検出されました。これらの遗伝子群は约8000年前に、二粒系コムギと、顿ゲノムを持つ野生种タルホコムギが交雑して、普通系コムギができたときにもたらされた遗伝子です。その后、これらの根で発现する遗伝子が起源地であるトランスコーカサス地方から全世界に分布域を拡大した际に、根の形态の変化、栄养吸収効率の向上、乾燥耐性の获得など环境顽健性や広域适応性をもたらした可能性が考えられます。
さらに、遗伝子数が3倍に増えたことが育种?进化を促进し得るのかどうかを解析したところ、３つの同祖遗伝子がそれぞれ别の选択を受けてきたという倾向が分かりました。この结果は、普通系コムギが3倍の数の遗伝子を持つことで、育种?进化のターゲットになる遗伝子の数が3倍に増えたことを意味します。つまりコムギの育种可能性（进化可能性）を上昇させ、広い环境に适応する环境顽健性に寄与した可能性が考えられます。
今后の展开
気候変动による作物栽培への影响がますます深刻になり、人口も増加し続け、国际情势も刻々と変化する中、世界の食粮安定供给のためには、高温?乾燥などの环境ストレスや病害への抵抗性を备え、かつ収量が高いコムギ品种の育成が急务です。特に近年は、コムギのゲノム配列、トランスクリプトーム（大规模遗伝子発现）データの整备が急速に进んでおり、これらの基盘情报を根拠として交配育种に利用する品种?系统を选抜するゲノム育种が重要となってきます。本研究で得られたゲノム全体の有害突然変异や纯化选択の情报は、有害突然変异を除きながらより効率的に有用形质を持つ品种を育成するための重要なデータセットといえます（図２）。本研究で行った结果は、モデル倍数体植物のミヤマハタザオの解析结果と共通しており、倍数体植物に普遍的なパターンとして、コムギだけでなくセイヨウアブラナやワタなど他の倍数体种のゲノム育种による新品种育成への展开が期待されます。本研究は、倍数体作物における有害変异の影响を理解し、より精密なゲノム育种を実现するうえで重要な基盘となります。
研究费
本研究は、JSPS科研费22H05179（学術変革領域「植物の挑戦的な繁殖適応戦略を駆動する両性花とその可塑性を支えるゲノム動態」）、22H02316、22K15161、25K18217、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業JPMJCR16O3（CREST「倍数体マルチオミクス技術開発による環境頑健性付与モデルの構築」）、JPMJFR243H（創発的研究支援事業「植物における新規雑種形成機構としての「ゲノムの硬さ」の解明」）、スイス国立科学財団などの支援を受けて実施されました。
论文情报
タイトル：Purifying selection on deleterious variants affected by the combination of subgenomes and gene expression in bread wheat
著者：Gwyneth Halstead-Nussloch*, Moeko Okada*, Georg Haberer, Thomas Lux, ASM Faridul Islam, Masaomi Hatakeyama, Roman Briskine, Benjamen White, Anthony Hall, Curtis Pozniak, 10+ Wheat Genome Project, Manuel Spannagl, Timothy Paape$, and Kentaro K. Shimizu$
（*：共同笔头着者、$：共同责任着者)
掲載雑誌：Cell Reports
顿翱滨：
著者：Gwyneth Halstead-Nussloch*, Moeko Okada*, Georg Haberer, Thomas Lux, ASM Faridul Islam, Masaomi Hatakeyama, Roman Briskine, Benjamen White, Anthony Hall, Curtis Pozniak, 10+ Wheat Genome Project, Manuel Spannagl, Timothy Paape$, and Kentaro K. Shimizu$
（*：共同笔头着者、$：共同责任着者)
掲載雑誌：Cell Reports
顿翱滨：
用语説明
*1 国際10+コムギゲノムプロジェクト：コムギゲノムの変異解析の基盤形成を?的として?ち上げられた国際プロジェクト。?本をはじめ、カナダ、アメリカ合衆国、イギリス、ドイツ、イスラエル、オーストラリア、スイス、サウジアラビアなど、さまざまな国の研究機関が参画している。
*2 普通系コムギ：パン、中華麺、うどん、菓子類に用いられ、現在世界で最も広く栽培されているコムギ。パスタに用いられるマカロニコムギを含む二粒系コムギとは種が異なる。
*3 変異：生物の設計図であるDNA配列に生じる変化。変異は、個体ごとの特徴（表現型）に影響を及ぼさないものや、環境への適応や育種に役立つ有用変異、生育に不利となる有害変異に分けられる。変異は自然に生じ、生物の多様性や進化を支えている。本研究では、タンパク質のアミノ酸を変える変異を中心に解析した。
*4 純化選択（淘汰）：生物の集団の中で、生存?繁殖を下げる変異が次第に減っていく自然選択の仕組みの一つ。有害な変異の蓄積を防ぎ、重要な遺伝子や生物の基本的な機能を保持する役割も果たす。
*5 同祖遺伝子（重複遺伝子）：同じ祖先に由来する遺伝子が、異なる種同士の交雑と倍数体化を経て、一つの個体の中に複数存在するようになったもの。これらの遺伝子はよく似た配列や機能を持ち、互いに機能を補完したり異なる役割へ分化したりすることで、生物の進化や環境への適応に貢献する。
*6 倍数体種：何らかの理由で通常より多くの染色体セットを持つ生物。異なる種同士の交雑によって、親から複数の染色体セットを受け継ぐ場合（異質倍数体）と、交雑を伴わず細胞分裂の過程で染色体数が増える場合（同質倍数体）がある。コムギは、異なる祖先種の交雑を2度経験して成立した異質六倍体で、染色体セットを3組持つ。
*7 DFE法（Distribution of Fitness Effects）：遺伝子に起こる突然変異が、生物にとって有利か?不利か?中立かを統計的に推定する手法。タンパク質を構成するアミノ酸を変える変異（非同義置換）の頻度が、タンパク質を変えない中立な変異（同義置換）よりどれだけ低いかを調べることで、どの程度“有害”として排除されているか（純化選択の強さ）を評価できる。清水客員教授のグループでは、これまでにモデル倍数体植物ミヤマハタザオを用いて、倍数体での純化選択の強さの検出方法を確立していた。国際10+コムギゲノムプロジェクトにより複数品種の高精度データがそろったことで、初めて普通系コムギで適用可能になった。
*2 普通系コムギ：パン、中華麺、うどん、菓子類に用いられ、現在世界で最も広く栽培されているコムギ。パスタに用いられるマカロニコムギを含む二粒系コムギとは種が異なる。
*3 変異：生物の設計図であるDNA配列に生じる変化。変異は、個体ごとの特徴（表現型）に影響を及ぼさないものや、環境への適応や育種に役立つ有用変異、生育に不利となる有害変異に分けられる。変異は自然に生じ、生物の多様性や進化を支えている。本研究では、タンパク質のアミノ酸を変える変異を中心に解析した。
*4 純化選択（淘汰）：生物の集団の中で、生存?繁殖を下げる変異が次第に減っていく自然選択の仕組みの一つ。有害な変異の蓄積を防ぎ、重要な遺伝子や生物の基本的な機能を保持する役割も果たす。
*5 同祖遺伝子（重複遺伝子）：同じ祖先に由来する遺伝子が、異なる種同士の交雑と倍数体化を経て、一つの個体の中に複数存在するようになったもの。これらの遺伝子はよく似た配列や機能を持ち、互いに機能を補完したり異なる役割へ分化したりすることで、生物の進化や環境への適応に貢献する。
*6 倍数体種：何らかの理由で通常より多くの染色体セットを持つ生物。異なる種同士の交雑によって、親から複数の染色体セットを受け継ぐ場合（異質倍数体）と、交雑を伴わず細胞分裂の過程で染色体数が増える場合（同質倍数体）がある。コムギは、異なる祖先種の交雑を2度経験して成立した異質六倍体で、染色体セットを3組持つ。
*7 DFE法（Distribution of Fitness Effects）：遺伝子に起こる突然変異が、生物にとって有利か?不利か?中立かを統計的に推定する手法。タンパク質を構成するアミノ酸を変える変異（非同義置換）の頻度が、タンパク質を変えない中立な変異（同義置換）よりどれだけ低いかを調べることで、どの程度“有害”として排除されているか（純化選択の強さ）を評価できる。清水客員教授のグループでは、これまでにモデル倍数体植物ミヤマハタザオを用いて、倍数体での純化選択の強さの検出方法を確立していた。国際10+コムギゲノムプロジェクトにより複数品種の高精度データがそろったことで、初めて普通系コムギで適用可能になった。
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