2021年2月16日

森林総合研究所
新潟⼤学
基礎⽣物学研究所
筑波⼤学
静岡県農林技術研究所

無花粉スギとなりうる素材は全国に分布している ―雄性不稔遺伝子の同定と多様性解析―

概要

森林総合研究所は、新潟⼤学、基礎⽣物学研究所、筑波⼤学、静岡県農林技術研究所と共同で、花粉形成に異常がある雄性不稔の原因となる遺伝⼦のひとつ（MS1）を同定しました。MS1は、花粉の表⾯の脂質の輸送に関わる遺伝⼦ですが、無花粉スギのMS1では塩基配列が⽋失するため正常に機能しないことがわかりました。この⽋失変異には2つの系統が存在し、天然スギのMS1の塩基配列を調べたところ、この2つの変異の元となる系統が全国の天然スギ林に広く分布していることが分かりました。それら元になる系統が多く分布するところでは、無花粉スギがさらに発⾒される可能性があります。各々の地域環境に適応した多様な無花粉スギを探索・発⾒して育種に活⽤することで、花粉症対策に貢献することが期待されます。
本成果は、2021年1⽉15⽇にScientific Reports誌でオンライン公開されました。

背景

現在、国⺠の27％がスギ花粉症患者であると⾔われ、深刻な社会問題となっています。林業分野におけるスギ花粉症対策は花粉発⽣源を減少させることで、具体的には広葉樹への樹種転換のほかには、少花粉スギや雄性不稔（無花粉）スギ（⽤語解説1）の利⽤が解決策として考えられています。
無花粉スギは主に⽇本海側から約20系統が⾒つかっています。無花粉という性質は単⼀の遺伝⼦に⽀配され、後代に遺伝することが明らかにされているため、精英樹などの優良個体（成⻑や材質が優れ病気にもなりにくいスギ）との交配により新品種の開発も進められています。しかしながら無花粉スギの育種には、2〜3年間苗を育てた後に薬剤（植物ホルモンのジベレリン）で雄花の形成を⼈⼯的に促し、花粉の有無を確認する検定作業が必要になります。花粉の有無を確認することなく実⽣の段階で無花粉スギを選抜したり、新たな無花粉スギを効率的に探索して新品種の開発に活⽤したりするためには、無花粉の原因遺伝⼦の特定が必要不可⽋となります。

内容

研究グループではスギの雄花で発現している遺伝⼦を抽出し、その塩基配列を解読しました。その結果、正常なスギと⽐較した場合に無花粉スギの雄花では、108個の遺伝⼦で発現が抑制されている可能性が⽰されました。これらの遺伝⼦の塩基配列を詳細に検討すると、そのうちの⼀つに塩基配列が⽋失して無花粉の原因となりうる変異（⽤語解説2）が認められました。さらに、⼈⼯交配を⾏って確認した結果からも、この遺伝⼦（MS1と呼ぶ）の変異が無花粉の原因であると考えられました。次に、この変異が全国のスギにどのように分布しているのかを明らかにする⽬的で、無花粉スギ9個体と18箇所の天然林に⽣育する74個体のスギを対象に、MS1の塩基配列（約2300塩基対）を解読しました。その結果、MS1遺伝⼦の異なる部分で塩基が⽋失した2つの系統（ms1-1およびms1-2と呼ぶ）が⾒つかりました。ms1-1とms1-2は遺伝的に極めて近縁で、⼀つの⼤元の系統からそれぞれ変異して無花粉系統になったことが分かりました。さらに、この⼤元の系統は全国に分布していました（図1）。

図1 無花粉スギ（⽔⾊および橙⾊）とその元になる系統（⻘⾊および⻩⾊）の分布図（左）と近縁関係を⽰すネットワーク図（右）。これら4系統以外は灰⾊で⽰しています。

左図は、18箇所の天然林においてスギのMS1領域の塩基配列について調査した結果です。円グラフは塩基配列の異なる系統の出現頻度を表します。ms1-1系統（⽔⾊）については、選抜地以外では発⾒されませんでした。ms1-2系統（橙⾊）は宮城県の天然林で発⾒されました。無花粉の元となる系統（⻘⾊および⻩⾊）は、全国で広く存在しています。
右図は、これらMS1の塩基配列を基に類似性がより⾼い系統間を連結したネットワーク図です。○はそれぞれMS1領域の塩基配列が異なります。類似性がより⾼いものどうしが線で結ばれ、○が⼤きいほど出現頻度が⾼いことを⽰します。右上の拡⼤図に⽰すように、様々な系統が発⾒された中で、ms1-1は⻘⾊の系統から派⽣したものであることが分かりました。また、⻘⾊の系統からは⻩⾊の系統が派⽣し、そこからms1-2が派⽣したということも分かりした。このことから、この⻘⾊の系統は雄性不稔になる変異をもつms1-1、ms1-2の共通した近縁の系統であると考えられます。

今後の展開

本研究により、スギの無花粉の原因となる変異が⽣じる遺伝⼦MS1を同定することが出来ました。さらに、無花粉となる変異には2つの系統があることやこれらの共通した近縁の系統との関連性、それらが全国に広く天然に分布していることを明らかにしました。無花粉スギのもととなる系統が全国に広く存在するということは、今後の無花粉スギの育種を考える上で重要な⽰唆を与えてくれます。なぜならスギは、林業種苗法により配布区域を越えた種苗の移動が制限されていて、区域外に由来する種苗を植栽することができないからです。そのため、地域の環境や利⽤⽬的に応じた無花粉スギ品種を開発するためには、配布区域内で無花粉スギの系統を⾒つけ出すことが望まれます。本研究で、全国各地に無花粉スギの元になる系統が存在することが明らかになったということは、そこに変異が⼊ることで⽣じた無花粉スギもまた、さらに⾒つかることが予測されます。原因遺伝⼦の塩基配列を指標にすれば、⼈⼯交配や花粉の検定作業を⾏うことなく地域の環境に適した無花粉スギの検出をより早く進めることができます。

論文

タイトル：Identification and genetic diversity analysis of a male-sterile gene (MS1) in Japanese cedar (Cryptomeria japonica D. Don)

著者：Yoichi Hasegawa, Saneyoshi Ueno, Fu-Jin Wei, Asako Matsumoto, Kentaro Uchiyama, Tokuko Ujino-Ihara, Tetsuji Hakamata, Takeshi Fujino, Masahiro Kasahara, Takahiro Bino, Katsushi Yamaguchi, Shuji Shigenobu, Yoshihiko Tsumura, Yoshinari Moriguchi

掲載誌：Scientific Reports、11巻：1496（2021年1⽉15⽇オンライン公開）

論文URL：https://doi.org/10.1038/s41598-020-80688-1

研究費：森林総合研究所交付⾦プロジェクト「有⽤遺伝⼦の特定に向けたスギ全ゲノム⾛査（課題番号201421）」、農林⽔産業・⾷品産業科学技術研究推進事業「無花粉スギの普及拡⼤に向けたDNA マーカー育種技術と効率的な苗⽊⽣産技術の開発（課題番号28013B）」、農研機構⽣研⽀援センターイノベーション創出強化研究推進事業「成⻑に優れた無花粉スギ苗を短期間で作出・普及する技術の開発（課題番号28013BC）」、基礎⽣物学研究所共同利⽤研究「スギの全ゲノム配列の解読（課題番号16-403、17-405、18-408）」

共同研究機関

森林総合研究所、新潟⼤学、東京⼤学、基礎⽣物学研究所、筑波⼤学、静岡県農林技術研究所

用語解説

1）雄性不稔（無花粉）スギ
雄性不稔は花粉の形成に異常があり正常な花粉が出来ないことを指す⾔葉で、そのようなスギを雄性不稔スギといいます。雄性不稔スギのうち花粉を⾶散せず、林業⽤に植栽するスギを無花粉スギと呼んでいますが、以降では区別せずに無花粉スギとして統⼀して記します。

2）無花粉の原因となりうる変異
MS1遺伝⼦で⾒つかった無花粉スギの変異は「⽋失」と呼ばれる種類の変異で塩基配列が失われる変異です。MS1遺伝⼦は花粉の表⾯に存在する脂質を運搬する役割があると推定されますが、この遺伝⼦が働くのに重要な部分の塩基配列が無花粉スギでは失われています。無花粉スギの⼀部の系統（福島不稔1号など）では連続した4個の塩基が⽋失し、別の系統（静岡県産の無花粉スギなど）では連続した30個の塩基が⽋失していました。これらの⽋失が⽣じたMS1遺伝⼦では、脂質を運搬する機能を担うことが出来ないため、正常な花粉を⽣産することができずに無花粉になると考えられます。