ポイント
農研機構生物機能利用研究部門は株式会社カネカと共同で、コムギを使って、植物個体に遺伝子を直接導入する技術を開発しました。本手法は細胞培養や再分化が不要であり、これまでは遺伝子導入が難しかった様々なコムギ実用品種に適用可能です。今後本手法を用いて、ゲノム編集等によるコムギの品種改良が加速すると期待されます。
概要
開発した方法で緑色蛍光タンパク質の遺伝子を
導入したコムギ「春よ恋」
地球規模の環境変動が続くなか、作物にはこれまでにない環境ストレス耐性が求められます。ゲノム編集など新たな技術を駆使して、従来育種では達成できないような形質を付与する必要性がますます高まっています。しかし、作物への遺伝子導入は依然として難しく、コムギ、オオムギ、ダイズ、トウモロコシなどでは、ある特定の品種にしか遺伝子導入ができず、国産の主要品種には不可能な場合がほとんどです。例えばコムギでは実験品種の「Fielder」という海外品種には遺伝子導入が可能ですが、「ゆめちから」「春よ恋」といった国産の主要な実用品種への導入は非常に困難です。
そこで本研究では、コムギを用いて「どんな品種にも遺伝子導入できる技術」の開発を目指しました。開発された手法は、実用品種への導入でネックとなっていた細胞培養や再分化のプロセスが不要で、「春よ恋」にも「Fielder」と同程度の効率で遺伝子導入が可能です。今後、本手法を用いて、ゲノム編集等によるコムギの品種改良が加速すると期待されます。また、この手法は、ダイズ、トウモロコシなどコムギ以外の作物にも適用可能と考えられます。
本成果は、英国の科学雑誌「サイエンティフィックレポーツ」に9月13日に掲載されました。
関連情報
予算: 資金提供型共同研究「コムギ形質転換法に関する研究」
戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)次世代農林水産業創造技術「ゲノム編集技術と開花促進技術の普及と高度化」
特許: 特許出願中
開発の社会的背景と経緯
植物に遺伝子を導入(染色体にDNAを導入)する技術としては、これまでアグロバクテリウム法1)や、パーティクルボンバードメント法2)が知られています。いずれの方法もカルス3)と呼ばれる培養細胞を用いており、そこから葉や根を持った植物個体を再生4)させることが不可欠です(図1)。しかし、培養や個体の再生といった過程は、多くの植物種で大変困難です。特に優良形質を持った多くの作物の実用品種では、培養や個体再生の効率が極めて低いため、これまで遺伝子導入が困難でした。 そこで、農研機構と(株)カネカでは、培養細胞を使わずに植物個体に直接遺伝子(DNA)を導入する技術の開発を進めました。植物の芽の先端(茎頂5))の生長点には、 L2(エルツー)層と呼ばれる未分化細胞層があり、その細胞層から生殖細胞が生まれると考えられています。そこで、L2層の細胞に遺伝子を導入することにより、生殖細胞を通じて、次世代で遺伝子が導入したコムギ個体を得ることを目指しました。
研究の内容・意義
植物個体に遺伝子を直接導入する技術を開発し、iPB(アイピービー、in planta Particle Bombardment)法と命名しました。iPB法では、種子胚茎頂に着目し、顕微鏡下、微細針を使って露出させた茎頂組織に、金粒子にコートしたDNAをパーティクルボンバードメント法により撃ち込み、L2層の細胞に遺伝子(DNA)を導入します。その結果、遺伝子が導入された花粉細胞や卵細胞などの生殖細胞が得られ、これらが受精することで、次世代で遺伝子が導入されたコムギ個体が得られます(図1)。
iPB法の特長
- 細胞培養や再分化が不要です。
- 実験用のコムギ品種に加え、これまで遺伝子導入が困難であったコムギ実用品種にも効率よい遺伝子導入が可能です。緑色蛍光タンパク質遺伝子を導入したところ、実験用品種「Fielder」では、全個体の0.9%で遺伝子が導入されました(表1)。さらに実用品種である「春よ恋」でも0.7%で遺伝子が導入されました(表1、図2)。
今後の予定・期待
今回開発されたiPB法はゲノム編集にも応用可能であり、現在、CRISPR-Cas96)によるコムギ実用品種のゲノム編集に取り組んでいます。またiPB法は、トウモロコシ、ダイズ等他の作物にも応用可能と考えられ、これらの作物の実用品種への遺伝子導入やゲノム編集への利用が期待されます。
用語の解説
1)アグロバクテリウム法
アグロバクテリウムという細菌は、DNAを植物細胞に移送させる性質があります。植物に導入したいDNAを予めアグロバクテリウムに入れておき、その菌を植物に感染させることで、目的DNAを植物細胞に導入する方法です。アグロバクテリウムに感染しない植物には適しません。
2)パーティクルボンバードメント法
金粒子表面にDNAを付着させ、高圧ガスの力で植物細胞にDNAを導入する方法です。導入遺伝子コピー数をコントロールできません。
3)カルス
植物組織をホルモン(オーキシンとサイトカイニン)存在下で培養すると、分裂活性の高い細胞塊が誘導されます。これをカルスと呼びます。カルスは未分化の状態であり、ホルモン量の調節により葉や根を形成させることができます。
4)再生
カルス化した細胞から、葉や根の組織をもつ植物個体を分化させることです。
5)茎頂
茎の先端にあり、細胞分裂を続ける組織です。本研究では種子胚中の茎頂を用いました。
6)CRISPR-Cas9(クリスパー-キャスナイン)
ゲノム編集に使用される酵素、Cas9タンパク質とガイドRNAから構成されます。ガイドRNAによって指定されるDNA配列近傍をCas9タンパク質が切断します。切断修復過程で、多様な変異が導入されます。
発表論文
Hamada, H., Linghu, Q., Nagira, Y., Miki, R., Taoka, N., Imai, R. (2017) An in planta biolistic method for stable wheat transformation. Scientific Reports. 7, 11443. DOI:10.1038/s41598-017-11936-0.
参考図
図1 開発した方法(iPB法)と従来法の比較
今回開発したiPB法では、その後生殖細胞になる茎頂のL2細胞に遺伝子を導入することにより、遺伝子が導入された個体を作出します。カルスからの再分化を必要としないため、再分化が困難なコムギ実用品種でも、効率よく遺伝子が導入された個体が得られます。
| 品種 | サンプル数 | 導入効率 |
|---|---|---|
| Fielder | 577 | 0.9% |
| 春よ恋 | 569 | 0.7% |
表1 iPB法による緑色蛍光タンパク質遺伝子の導入効率
PCR法によって確認しました。
図2 iPB法で緑色蛍光タンパク質の遺伝子を導入したコムギ
「春よ恋」の芽生え
お問い合わせ先など
研究推進責任者
農研機構生物機能利用研究部門 研究部門長 門脇 光一
研究担当者
農研機構生物機能利用研究部門 遺伝子利用基盤研究領域 今井 亮三
広報担当者
農研機構生物機能利用研究部門 広報プランナー 高木 英典
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