カンキツの多胚性を制御する遺伝子を特定~単胚性の優良個体の選抜により品種開発を劇的に効率化~

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2019-04-25  農研機構

ポイント

通常、植物の種子は両親の遺伝子を引き継いだ胚(発芽して植物体に成長する部分)一つのみを含みますが、カンキツでは両親の一方(種子親)と同一のゲノムを持つ多数の胚を併せ持つ多胚性と呼ばれる現象が見られます。今回、この多胚性の制御に関わる遺伝子を特定するとともに、多胚性を示す個体を容易に判定できるDNAマーカー1)を開発しました。カンキツの交雑育種を行う際に、多胚性の個体を種子親として利用すると、両親から遺伝子を引き継いだ種子(交雑種子)を得にくいため、このマーカーを利用して多胚性の個体を芽生えの段階で除去すれば、カンキツの育種を劇的に効率化することができます。

概要

通常、植物の種子は両親の遺伝子を引き継いだ胚(交雑胚)一つのみを含みますが、カンキツでは一つの種子が交雑胚だけでなく、種子親と同一のゲノムを持つ多数の胚(珠心胚しゅしんはい)を含む多胚性という現象がみられます。交雑胚と珠心胚は外観からの区別が難しく、多胚性の種子を播いても、両親から遺伝子を引き継いだ個体(交雑胚個体)をほぼ獲得できないことから、カンキツの交雑育種を進める際は、多胚性を示さない個体(=単胚性の個体)を利用することが不可欠となり、優れた特性を持つ多胚性の品種は一般的に種子親として利用されていません。
そこで農研機構は、多胚性の制御に関わる遺伝子の探索を進め、CitRKD1(シトアールケーディーワン)という遺伝子を特定しました。 さらに、CitRKD1について、多胚性を示す遺伝子型と単胚性を示す遺伝子型を容易に区別できるDNAマーカーを開発しました。本マーカーは、国内で育成された95種類に及ぶカンキツの品種や系統について多胚性と単胚性を区別することができました。本マーカーを利用すれば、芽生えの段階で多胚性の個体を効率よく除去できるため、交雑組み合わせに用いる親品種を限定することなく、優れた特性を持つ新品種の育成を効率的に推進できます。

関連情報

予算:運営費交付金、科研費(16K07608)

問い合わせ先など

研究推進責任者 :

農研機構果樹茶業研究部門 研究部門長 高梨 祐明

研究担当者 :

農研機構果樹茶業研究部門 カンキツ研究領域 島田 武彦

静岡大学農学部 大村 三男

広報担当者 :

農研機構果樹茶業研究部門 企画管理部 企画連携室

広報プランナー 大﨑 秀樹

詳細情報

開発研究の背景と経緯

カンキツについては交雑育種法により新品種の開発を進めており、優れた特性を持つ親品種を交配し、数千の交雑個体の中から両親の優れた特性を兼ね持つ画期的な個体を選抜しています。カンキツの交雑育種で多胚性の個体を種子親に用いると、得られる実生2)個体のほとんどが種子親と同一のゲノムを持つクローン個体となり、交雑個体はほぼ獲得できません(図1、図2)。交雑により優れた特性を持った品種を得られても、多胚性である場合、交雑育種における種子親としては利用できないため、交雑を進めてさらに優れた品種を育成することは困難です。このように多胚性は交雑組み合わせを限定する要因となっており、カンキツの育種を効率的に進めるためには、多胚性を示さない、単胚性の個体を利用することが不可欠です。
しかしながら、個体の胚性(単胚性/多胚性)を確認するためには果実の結実を待つ必要があり時間がかかります。そこで、本研究では、カンキツの多胚性を制御する遺伝子をマップベースドクローニング3)により単離し、この遺伝子のゲノム構造の特徴に基づき、芽生えの段階で胚性を識別可能なDNAマーカーの開発を進めてきました。

研究の内容・意義
  • これまでに同定した多胚性を制御する遺伝子領域の中に含まれると予測された79個の遺伝子の中から、花や幼果などにおける発現量が多胚性品種と単胚性品種の間で有意に異なる遺伝子として、CitRKD1を特定しました。
  • 多胚性であるオレンジにおいて、遺伝子組換え技術によりCitRKD1の発現を抑制させたところ、単胚性の種子が得られ、この種子から生育した個体は種子親とは異なるゲノムを持っていたことから、CitRKD1が多胚性を制御する遺伝子であることが確認されました。
  • CitRKD1は胚が形成される時期である幼果において、単胚性の品種よりも多胚性の品種で強く働いています(図3)。
  • CitRKD1はモデル植物のシロイヌナズナで報告されている胚発生に関わる遺伝子と相同性が高く、胚形成の初期段階で働いていると推定されます。
  • ゲノム構造を解析したところ、多胚性品種ではCitRKD1の上流域にトランスポゾン4)が挿入されていました(図4)。トランスポゾンの挿入によりCitRKD1の発現が上昇することにより多胚性を示すものと考えられます。多胚性は単胚性に対して遺伝的に優性で、トランスポゾンが挿入された多胚性型のCitRKD1を一つでも持つと多胚性を示します。
  • 多胚性型と単胚性型のCitRKD1を判別できるDNAマーカーを開発しました。国内で育成された95種類に及ぶカンキツの品種や系統を調査したところ、CitRKD1の遺伝子型と胚性は完全に一致しました(図5)。このように、本DNAマーカーは幅広いカンキツにおける胚性の識別に利用できます。
今後の予定・期待

本研究で開発したDNAマーカーを用いることにより、カンキツの交雑育種において得られる実生個体から多胚性の個体を効率的に除去することが可能となります。農研機構では、現在、種なし性に関わる雌性不稔性、β-クリプトキサンチン高含有、カンキツかいよう病抵抗性、高糖度性など優良品種の基盤となる形質を持った個体を選抜できるDNAマーカーの開発に取り組んでいます。今回の成果を併用することで、優れた品種をより効率的に育成できることが期待されます。

用語の解説
  • DNAマーカー:
    ある遺伝子や染色体の領域に含まれる、またはこれらの近傍に位置する特定の塩基配列を利用した目印。葉などから取り出したDNAと適切なDNAマーカーがあれば、果実が結実するのを待たずに特定の果実形質を持つ個体を選別することができます。
  • 実生:
    種子から発芽し生育した植物。
  • マップベースドクローニング:
    遺伝地図をもとに目的とする遺伝子を単離する方法。
  • トランスポゾン:
    細胞内においてゲノム上の位置を転移することのできる塩基配列。動く遺伝子、転移因子とも呼ばれます。トランスポゾンの挿入や欠損により植物の形質が変化することが数多く報告されています。
発表論文
  • Shimada T., Endo T., Fujii H., Nakano M., Sugiyama A., Daido G., Ohta S., Yoshioka T. Omura M. (2018) MITE insertion-dependent expression of CitRKD1 with a RWP-RK domain regulates somatic embryogenesis in citrus nucellar tissues. BMC Plant Biology 18(1): 166.
参考図


図1 種子親の胚性による実生個体の違い


図2 単胚性品種と多胚性品種の種子の形状
単胚性品種の「清見」の種子(左)は、両親のゲノムが混ざり合った交雑胚が形成されますが、多胚性品種の「はるみ」の種子(右)は、交雑胚と複数のクローン胚が形成されます。多胚性の種子ではクローン胚の方が交雑胚よりも旺盛に生育するため、交雑個体の獲得が困難です。

図3 胚が形成される開花後15日から60日の幼果におけるCitRKD1の遺伝子発現パターン
胚が形成される時期におけるCitRKD1の発現は、単胚性品種の「清見」よりも多胚性品種の「はるみ」で高くなっていました。

図4 CitRKD1の対立遺伝子の種類
多胚性の制御に関わる遺伝子CitRKD1には、遺伝子の上流域にトランスポゾンが挿入された対立遺伝子(多胚性型)と非挿入の対立遺伝子(単胚性型)が存在し、多胚性型を一つでも持てば多胚性を示します。開発したDNAマーカーは、本トランスポゾン挿入の有無を検出します。

図5 DNAマーカーによる単胚性/多胚性の識別(ウンシュウミカン、ポンカン、ヒューガナツなどの12種類の在来品種の結果)
1.0kbp のPCR 断片はトランスポゾンが挿入されたCitRKD1の対立遺伝子から増幅され、0.7kbp のPCR 断片はトランスポゾン非挿入のCitRKD1の対立遺伝子から増幅されています。マーカーによってトランスポゾンが挿入された対立遺伝子を持つと判定された品種(1,2,8,10,11,12)は、全て多胚性の種子を形成します。

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