開発の背景と経緯
小麦の収穫期は、本州では梅雨入り前後、北海道では7～8月であり、年によっては雨の多い季節となりますが、小麦種子は一般的に成熟後の休眠性があまり
強くありません。このため、しばしば収穫前の降雨により穂発芽が発生し、小麦生産者に大きな被害をもたらしています。この被害を軽減するには、小麦の種子
休眠性を強化することが必須となります。これまでに、種子の休眠性は、強いものから弱いものまで連続的な違いのある量的形質であり、複数の遺伝子座が関与
していることは分かっていましたが、具体的にどのような遺伝子が関与しているのかについては不明でした。そこで、小麦の種子休眠性の制御に関わる遺伝子の
単離・同定を行いました。
研究の内容・意義
- 小麦種子の休眠性は気温の影響を大きく受けることが知られており、登熟期の気温が低いほど休眠が強
く、高いほど弱くなります(図1)。したがって、気温によって発現量が変化する遺伝子を見つけられれば、その遺伝子が休眠制御に関わっている遺伝子である
可能性があります。そこで、マイクロアレイによる網羅的発現解析手法を用いて遺伝子の発現量を比較した結果、温度によって発現量が大きく異なる遺伝子は、
解析した約3万8千個のうち僅か2個で、その一つがMFT遺伝子でした。
- 次にMFT遺伝子が、小麦の3A染色体短腕に存在すること、また、種子休眠性に関わる量的遺伝子座の領域に存在することを明らかにしました。休眠性が強い
品種「ゼンコウジコムギ」と休眠性が弱い品種「チャイニーズスプリング」の完熟種子で比較すると、「ゼンコウジコムギ」ではMFT遺伝子の発現量が多く、
また、「ゼンコウジコムギ」型のMFT遺伝子を「チャイニーズスプリング」に導入した組換え体では、MFT遺伝子の発現量が増大して、種子の休眠性が強く
なることが明らかになりました。
- 遺伝子組換えによりMFT遺伝子を小麦の未熟胚に導入し、強制的にMFT遺伝子を発現させると、未熟胚の発芽が抑制され、発芽促進効果がある植物ホルモン
のジベレリンを与えると、抑制が解除されました(図2)。この結果も、MFT遺伝子発現が発芽を抑制することを示しています。
- MFT遺伝子の発現量を調節する領域に、「ゼンコウジコムギ」と「チャイニーズスプリング」で塩基が1個異なる配列があり(図3A)、その配列の違いを識
別するDNAマーカー(CAPSマーカー)を開発しました(図3Bと3C)。このマーカーによりアガロースゲル電気泳動で容易に遺伝子型の違いを検出でき
るため、種子休眠性を強くする「ゼンコウジコムギ」型の遺伝子型を選抜するための実用的なDNAマーカーとして利用できます。
今後の予定・期待
今回開発したDNAマーカーを用いて、日本の小麦品種を調べたところ、幾つかの重要な品種は休眠性の弱いタイプの遺伝子型を持っていることが明らかになり
ました。今後は、MFT遺伝子に関するDNAマーカーを用いることにより、種子休眠性の強い遺伝子型の選抜が容易になることで穂発芽耐性の改良が効率的に
行われ、小麦品種の穂発芽耐性向上に貢献することが期待されます。
図1 登熟気温と種子休眠性
低い:例では気温13°Cで登熟、高い: 例では気温25°Cで登熟、小麦品種:農林61号、吸水後20°C、5日間培養後の発芽率を測定
図2 小麦MFT遺伝子の発芽抑制効果
写真上:強力な発現プロモーターを結合したMFT遺伝子を単離未熟種子胚に導入し、培養10日後の様子。
写真下:MFT遺伝子を導入し発芽が抑制された胚を10日後にジベレリンを含む培地に移し、さらに7日間培養後の様子。
図3 小麦MFT遺伝子のDNAマーカー
(A) MFT遺伝子のプロモーター配列上の塩基多型
小麦品種 CS:チャイニーズスプリング、ZEN:ゼンコウジコムギ
(B) CAPSマーカーのアガロースゲル電気泳動写真
1:種子休眠性弱 CS型、2:種子休眠性強 ZEN型
(C) CAPSマーカーによる 小麦品種のMFT遺伝子型判別例
31品種の小麦を比較。
発表論文
Shingo Nakamura, Fumitaka Abe, Hiroyuki Kawahigashi, Kou Nakazono, Akemi
Tagiri, Takashi Matsumoto, Shigeko Utsugi, Taiichi Ogawa, Hirokazu
Handa, Hiroki Ishida, Masahiko Mori, Kanako Kawaura, Yasunari
Ogihara, and Hideho Miura
A Wheat Homologue of MOTHER OF FT AND TFL1 acts in the regulation of germination.
The Plant Cell 2011 (印刷中、doi: 10.1105/tpc.111.088492 、2011年9月6日にオンライン公開)
用語の解説
- 穂発芽
穂についたままの種子が収穫前に発芽する現象。発芽すると、デンプンやタンパク質が分解されるため、小麦粉に加工したときの品質が悪化し、食感の良いうどんや膨らみの大きいパンが作れなくなります。
- マイクロアレイ
スライドガラス上にそれぞれの遺伝子に特徴的なDNA断片を数千から数十万種類並べて配置し、それぞれの遺伝子の断片と結合する相補的な配列を持った遺伝子を検出する技術。多数の遺伝子の発現の有無や多少を一度に調べることができます。
- 量的遺伝子座
量的形質を支配する遺伝子座で、QTL(Quantitative Trait
Loci)とも呼称されます。量的形質とは数量や程度の違いで示される形質のことであり、複数の遺伝子座の影響を受けます。実用形質の多くは量的形質であ
り、種子の休眠性も該当します。種子休眠性は、発芽する種子の割合によって測定され、試験に供した種子全てが発芽しない場合(0%)から、すべて発芽する
場合(100%)までの連続量として評価されます。
- CAPSマーカー
CAPSは、cleaved amplified polymorphic sequenceの略。塩基多型を含む配列をPCR法により増幅し、増幅断片を制限酵素で切断、塩基多型による切断酵素認識配列の有無により、断片の長さを区別し、マーカーとする方法。
