研究経過

　計画研究班の井澤毅教授（東京大学大学院農学生命科学研究科）は、京都大学ならびに農研機構との共同研究により、イネが施肥を受けた際に分げつ数(穂数)が増える分子メカニズムについて、植物ホルモンの一種であるストリゴラクトンの生合成に関わるOs1900遺伝子の転写(mRNA量)が施肥刺激によって減少することが主要な原因であることを明らかにしました。また、そのOs1900遺伝子の発現箇所・タイミングを変える変異を利用して、低施肥でも穂数が減らず、収量性を維持できる新規改良Os1900遺伝子を創出しました(図)。

図：Os1900遺伝子とOs5100遺伝子の二重変異体は分げつ数が増加し、結果として穂数も増加した

（出典：東京大学ウェブサイト　https://www.a.u-tokyo.ac.jp/topics/topics_20230608-1.html）

　

　これまで、品種間の遺伝解析から、分げつ数(穂数)を制御しているのはOs900遺伝子とOs1400遺伝子の二つの関連遺伝子であると報告されていましたが、本研究ではまず、遺伝的な役割はそれらの相同遺伝子のひとつであるOs1900遺伝子の方が大きいことを明らかにしました。その上で、Os1900遺伝子をゲノム編集技術によって改変することで、新しい有用遺伝子を創出できたことは非常に新奇性が高い成果です。この新しく開発した遺伝子資源は、通常よりも低施肥で、高品質・高収量のイネ品種の育成に資すると期待され、SDGs時代のイネ育種に貢献できると考えられます。また、今回の成果では、遺伝子の機能喪失変異やアミノ酸配列を変える変異ではなく、働く組織やタイミングを変える変異が農学上・育種上有用であることを明らかにした点で、汎用性の高いメッセージがあり、非常に意義深い成果となっています。

　

◆詳細はこちら＞東京大学ウェブサイトへ

　

また、本研究成果は2023年6月8日付の日本経済新聞にも掲載されました！

ぜひご覧ください。

https://www.nikkei.com/article/DGXZQOUC084N30Y3A600C2000000/

　

<発表論文>

雑誌：Nature Communications

題名：Fertilization controls tiller numbers via transcriptional regulation of a MAX1-like gene in rice cultivation

著者：Jinying Cui、 Noriko Nishide、 Kiyoshi Mashiguchi、 Kana Kuroha、 Masayuki Miya、 Kazuhiko Sugimoto、 Jun-Ichi Itoh、 Shinjiro Yamaguchi、 and Takeshi Izawa*(*は責任者)

DOI：doi.org/10.1038/s41467-023-38670-8

　清水班・清水健太郎客員教授（横浜市立大学/チューリッヒ大学兼任）が2023 年5月25 日発売の日経サイエンス７月号牧野富太郎特集「新種誕生の現場」の記事に取材協力しました。清水研究室で20年来研究してきたシロイヌナズナ属の倍数体タチスズシロソウは、NHK朝ドラ「らんまん」のモデル牧野富太郎がArabis kawasakiana Makinoとして1913年に記載したものです。2005年には分子データによってシロイヌナズナ属に属する異質倍数体であることがわかり、Arabidopsis kamchatica subsp. kawasakiana (Makino) K. Shimizu & Kudohと分類学的な組み換えを行いました。記事では、スイス・ウルナーボーデン村（写真）で過去150年に誕生したタネツケバナ属新種や、パンコムギなども紹介されています。

記事の一部は以下のサイトで公開されていますので、ぜひご覧ください。

https://www.nikkei-science.com/202307_048.html

 

特集の他の記事などは以下のサイトへ。

https://www.nikkei-science.com/page/magazine/202307.html

この度、令和5年度文部科学大臣表彰にて、計画研究の伊藤寿朗教授（奈良先端科学技術大学院大学）が＜科学技術賞＞を受賞されました。

おめでとうございます！

　

伊藤先生のコメントもぜひご覧ください（奈良先端大のページへ）

賞の詳細・報道発表はこちら（文部科学省のページへ）

　

奈良先端科学技術大学院大学先端科学技術研究科 バイオサイエンス領域の伊藤 寿朗教授らの研究グループは、中部大学およびプラハ・カレル大学、九州大学との国際共同研究グループはにより、花をつくる幹細胞が自己複製の状態から細胞の分化に切り替える仕組みを数理的なシミュレーションで予測し、その時期を人為的に改変する操作に初めて成功しました。この成果により、植物の幹細胞のすごい能力を人為的に調節できるようになれば、種や果実の大きさや数を操作することで、食糧の安定な供給が期待できます。


　伊藤教授らの国際共同研究グループは、モデル植物であるシロイヌナズナの花の幹細胞を使って実験を重ねた結果、細胞の核の中で DNA を巻き取って収納しているヒストンというタンパク質について、3 つのメチル基を付与（トリメチル化）されたアミノ酸が特定の位置に連結したヒストンの数と、分化を引き起こす遺伝子が誘導される時期との間に高い相関があることに気付きました。この相関に注目して、トリメチル化されたヒストンの数と分化遺伝子の誘導時期の関係を方程式により、数学的に明らかにしました。さらに、このタイプのヒストンの数を人為的に増やすと、方程式で計算される時期に分化遺伝子が誘導されることを突き止めました。植物の幹細胞が自己複製から分化へと切り替わるときの普遍的な仕組みを知るだけでなく、その仕組みを有効に使って農業や園芸の分野で利用していくうえでも非常に重要な成果です。

図2．H3K27me3をもつヒストンを増やした実証実験
(a) KNU遺伝子の発現のタイミング
(b) H3K27me3をもつヒストンを3つ増やした発現解析
(c) H3K27me3をもつヒストンを6つ増やした発現解析

　

　この研究成果は、米国時間の 2023 年 5 月 5 日（金）付で、米国の科学雑誌「The Plant Cell」オンラインアドバンス版に掲載されました。（DOI：10.1093/plcell/koad123）

　

◆詳しくはこちらをご覧ください（奈良先端科学技術大学院大学ホームページ）

　

<発表論文>

タイトル：AGAMOUS regulates various target genes via cell cycle-coupled H3K27me3 dilution in
floral meristems and stamens
著者:Margaret Anne Pelayo1, Fumi Morishita1, Haruka Sawada1, Kasumi Matsushita1, Hideaki Iimura1,
Zemiao He2, Zemiao He1,2, Liang Sheng Looi1, Naoya Katagiri1, Asumi Nagamori1, Takamasa Suzuki3,
Marek Širl4, Aleš Soukup4 Akiko Satake5, Toshiro Ito1, Nobutoshi Yamaguchi1
所属：1. 奈良先端科学技術大学院大学 2. シンガポール国立大学 3. 中部大学 応用生物学部 4. プラ
ハ・カレル大学 5. 九州大学 理学研究院
掲載誌：The Plant Cell
DOI: 10.1093/plcell/koad123

計画研究・清水健太郎教授グループ（チューリッヒ大学・横浜市立大学）の佐藤安弘上級助手らが千葉大学との共同研究で行った頻度依存選択のゲノムワイド関連解析(GWAS)が米国進化生物学会誌Evolutionに発表されました。

頻度依存選択とは特殊な自然選択圧の1つで、少数派の対立遺伝子が有利になる負の頻度依存選択と、多数派の対立遺伝子が有利になる正の頻度依存選択の2つがあります。特に負の頻度依存選択は、少数派の変異が集団から排除されるのを防ぐので、遺伝的多様性を安定的に維持する大事な要因です。例えば、病原抵抗性の進化では、新たに生じた少数派の変異が病気から逃れるために有利になることがあります。植物の生殖に関わる形質でも、送粉者を介した負の頻度依存選択によって異なる花の色のランが共存できることが知られています。

これまでに我々は、統計力学のイジングモデルを用いて、個体間相互作用を取り入れたGWAS手法NeighborGWASを開発してきました(Sato et al. Heredity 126:597-614, 2021, https://www.nature.com/articles/s41437-020-00401-w) 。今回さらに、 1遺伝子座-2対立遺伝子座からなる頻度依存選択のモデルに拡張しました。そして、野外栽培したシロイヌナズナの花茎の数を解析しました。その結果、花茎数と相関が強かったSNPには正よりも負の頻度依存選択に関わるものが多く見られました。さらに、これらのSNPの近くには病原菌抵抗性に関わる遺伝子が見られたことから、負の頻度依存選択に関わる既知の機能と比べても妥当な結果が得られたと考えられます。

ここまで読んで、植物の生殖に詳しい方々は「自家不和合性システムに対する負の頻度依存選択にも使えないのか」と問われるかもしれませんが、現状では2対立遺伝子までしか対応できていません。3型以上の場合にもSNPマーカーを基にしたGWASで検出できるかは今後の課題です。

　

＜発表論文＞

Yasuhiro Sato, Yuma Takahashi, Chongmeng Xu, Kentaro K. Shimizu,

Detecting frequency-dependent selection through the effects of genotype similarity on fitness components. 

Evolution, Volume 77, 1145-1157, 2023

https://doi.org/10.1093/evolut/qpad028