東京大学大学院農学生命科学研究科の経塚淳子准教授らの研究グループは、岡山大学資源植物科学研究所の前川雅彦教授らのグループなどとの共同研究により、作物の収量増につながる新規遺伝子TAWAWA1 (TAW1)をイネから発見した。TAW1は、穂の発生過程が進行するタイミングを微調整する遺伝子である。TAW1の働きが高まると穂につく花(コメになる)の数が増加し、働きが低下するとコメ数が減少する。一般に、生物の発生は高度な調節を受けており、TAW1作用の過度の増強は穂の正常な生育を阻害するが、本研究で発見したイネの変異体では、TAW1遺伝子の働きの絶妙な高まりにより穂の成長が悪影響を受けることなく穂の粒数が増加した。この変異体とコシヒカリとを交配した結果、コシヒカリの食味を損なうことなく収量を増加させることができた。TAW1遺伝子の解析からは、TAW1が作るタンパク質が細胞の核で機能していることが明らかになった。本研究は、発生過程の制御が収量の増加にそのまま結びつく遺伝子を発見したものであり、実用化に直結する点で意義深い。しかもTAW1遺伝子はイネ以外の作物にも存在しており、今後、種子や果実を収穫する作物の収量増に広く利用できることが期待される。
イネの穂の発生では、まず、枝梗(しこう)とよばれる枝分かれがつくられ、その後にすべての枝に花がつき、それぞれの花が1粒のコメになる。したがって、枝分かれが多く形成されるとひとつの穂につくコメの数も増加する。生物の発生過程の進行は、多数の遺伝子の協調的な作用により厳密に制御されている。イネ穂の発生における、枝つくりから花つくりへのプログラム進行も遺伝子によって精巧に制御されていると考えられるが、その制御の実態はわかっていない。また、前述のように、このプログラム進行のタイミングはイネ穂につくられるコメの数に直接的に影響するはずである。これまで、花の発生は基礎研究的な観点から多くの研究が行われてきた。また、近年、作物の収量に関する遺伝子レベルでの研究が発展し、収量を左右する遺伝子の単離も報告されている。しかしながら、花の発生メカニズムの解明という基礎研究と収量を直接つなぐ遺伝子レベルでの知見はほとんどない。
本研究では、枝分かれつくりから花つくりへと発生プログラムが転換するタイミングを決定するしくみを解明するために、まず、岡山大学資源植物科学研究所の前川雅彦教授のグループの協力を得てイネの変異体の探索を行った。その結果、優性に遺伝する2つの突然変異体を発見した。これらの変異体で変異を起こしている遺伝子は同一であり、どちらも優性に遺伝した。これら2つの変異体では、枝つくりが過剰になっていた。弱い異常を示す変異体(taw1-D2 )ではコメの数が増加し、異常が強い変異体(taw1-D1 )では枝つくりが無限に繰り返された。この突然変異の原因となっている遺伝子をTAWAWA1 (TAW1) と命名した。
これらの変異体はイネにもともと存在するトランスポゾン(注1)により引き起こされている可能性が予測されたので、トランスポゾンの転移を指標にTAW1遺伝子を単離した。その結果、TAW1遺伝子からは機能未知のタンパク質がつくられることが明らかになった。イネゲノムには、TAW1類似遺伝子がTAW1以外にも9個存在する。また、TAW1遺伝子はイネ以外の植物にも広く存在する。
2つの突然変異体(taw1-D1、taw1-D2 )ではTAW1遺伝子の制御領域にトランスポゾンが挿入されており、そのためにTAW1遺伝子の働きが高まっていた。さらに、九州大学農学研究院熊丸敏博准教授らのグループとの共同研究により見出したTAW1遺伝子のはたらきが低下した変異体(taw-3 )では、枝分かれが少なく、したがってコメ数が少ない小さな穂がつくられた。これらの結果から、穂の枝分かれの程度が、TAW1のはたらき程度に依存して決定されることがわかった。さらに、TAW1遺伝子がいつどこではたらくか(mRNAがつくられるか)を調べたところ、TAW1 mRNAはイネの成長初期から穂の発生過程の初期まで茎頂分裂組織(注2)でつくられ、枝つくりから花つくりに転換する時点でmRNAがつくられなくなった。TAW1はイネの花つくりへのプログラムの進行を抑える遺伝子であると結論した。
TAW1の働きがわずかに昂進したtaw1-D2変異体をコシヒカリと交配することにより、taw1-D2変異をもつコシヒカリを作った。taw1-D2コシヒカリでは1穂のコメ数が顕著に増加し収量が増加した。食味には影響がなかった。taw1-2変異体は人為的に作成したものではなく自然に起こった変異である。TAW1のmRNAが単純に増加しているだけではなく、その増加部位や程度のさじ加減が収量に対して絶妙であったと考えられる。
本研究は、発生過程の制御が収量の増加にそのまま結びつく遺伝子を発見したものであり、実用化に直結する点で意義深い。しかもTAW1遺伝子はイネ以外の作物にも存在しており、今後、種子や果実を収穫する作物の収量増に広く利用できることが期待される。
本研究は、農林水産省新農業展開プロジェクト「イネの質的形質遺伝子の単離と機能解析(IPG0001)」の支援を受けて行ったものである。
東京大学大学院農学生命科学研究科 生産・環境生物学専攻 栽培学研究室
准教授 経塚淳子
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