イネと水田雑草が繰り広げる化学防御システムの攻防
－植物のアレロパシー物質生合成遺伝子クラスターの進化－

東京大学生物生産工学研究センターの岡田憲典准教授は、中国浙江大学Institute of Crop Science and Institute of BioinformaticsのLongjiang Fan 教授他との共同で、栽培イネとトウモロコシがそれぞれ保持するアレロパシー物質であるモミラクトン類およびベンゾキサジノン類の生合成遺伝子クラスターが、水田雑草イヌビエの染色体上にも存在することを明らかにしました。モミラクトンは、高等植物のイネと下等植物の蘚類ハイゴケにおいて抗菌性化合物のファイトアレキシンとして誘導的に生産されることが知られている生理活性物質です。これまでに、イネのモミラクトン生合成を担う遺伝子群が、イネの4番染色体上にクラスターを形成しており、このクラスターはイネが栽培化を受ける前の野生イネにおいても見出されることを報告しておりました。今回、イネ科のOryza属とは進化的に離れたイヌビエEchinochloa crus-galli（図１）においても、同様のモミラクトン生合成遺伝子クラスターと考えられる遺伝子群が存在することを次世代シーケンスによるゲノム解析により見出しました。この６倍体のイヌビエには、モミラクトン生合成遺伝子クラスター様構造のみならずトウモロコシが保持するベンゾキサジノン類の生合成遺伝子クラスターも存在しており、イネとの混植によりその生産が著しく誘導されることも明らかにしました。このことは、栽培イネと水田雑草イヌビエとの間で、低分子化学物質を利用した防御システムによる水田内での生存競争の攻防が人知れず行われていることを示すものです。今回、このような化学防御物質の生合成遺伝子群が、いつ、どのようにクラスターを形成したのかという進化的な謎を解き明かす上で重要となる証拠が得られたといえます。

研究の背景
　 イネの抗菌性化合物として知られるジテルペン型ファイトアレキシン（注２）のモミラクトンは、栽培イネやある種の野生イネを含むOryza属や蘚類ハイゴケにおいて他感作用（注３）を与える物質としてその生産が報告されていました。また、Oryza属におけるモミラクトン生合成遺伝子群は染色体上で遺伝子クラスターを形成しており、ストレスに応答した同調的な遺伝子発現生誘導を示すことが知られていました。このモミラクトンのような化学防御物質の生合成遺伝子が染色体上でクラスターを形成することは、他の植物種においても報告されていましたが、モミラクトン生合成遺伝子クラスターについてはイネ固有の遺伝子クラスターであると考えられてきました。

研究の経緯
　イヌビエは主要な水田雑草の一種で、栽培イネの生態を模倣し、生活環を合わせて旺盛に生育する､水稲における駆除対照の雑草です。イネが生産する化学防御物質の中で、根から滲出し根圏でアレロパシー活性を示すことが知られているモミラクトンの生産誘導は、水田においてイヌビエの成長を抑制するイネの自然な化学防御システムの一つであると考えられています。そのため、イネのモミラクトン生産能力とイヌビエ生育抑制の関係の研究が、雑草駆除の観点で活発に行われてきました。これまでモミラクトンはイネの持つ固有の武器であり、イヌビエにとってはやっかいなアレロパシー物質であると考えられてきました。本研究グループは、イヌビエのゲノムシーケンス解析を行い、イヌビエが進化の過程で獲得したと考えられる数種の化学防御物質の生合成遺伝子群が、イネと同じく染色体上でクラスターを形成することを発見し、その実態の解明に取り組みました。

研究の内容・意義
　 水稲での駆除対象である水田雑草のイヌビエは、イネとの競争に打ち勝つために早い成長や農薬耐性など、人工的な水田環境にうまく適応進化してきたと考えられています。その生態を理解するためにはゲノム情報が重要となりますが、これまでイヌビエの遺伝情報は不明でした。そこで、本研究グループは、次世代シーケンスにより6倍体のイヌビエEchinochloa crus-galliのゲノム配列を決定しました。その結果、イヌビエの生育に有利に働くと考えられる化学防御物質の生合成遺伝子クラスターをイヌビエ染色体上に複数見いだすことに成功しました。
　 トウモロコシで報告されていたアレロパシー物質であるベンゾキサジノン類2,4-dihydroxy-7-methoxy-1,4-benzoxazin-3-one (DIMBOA)の生合成遺伝子クラスターはイヌビエのゲノムに3コピー存在し（図２）、2コピーは4倍体のイヌビエE. oryzicolaより受け継がれ、残りの1コピーは実体不明の2倍体イヌビエから遺伝したものと考えられました。RNA-seq（注４）の結果から、3つのクラスター内のDIMBOA生合成遺伝子群は、イネとの混植により顕著に遺伝子発現の誘導がみられ、それに伴うDIMBOAの生産誘導も認められました。この事から、イヌビエは、イネとの混植状態でアレロパシー物質であるDIMBOAを生産し自らの生育を有利にしていることが明らかになりました。
　 一方、イネが生産するアレロパシー物質のモミラクトンも、その生合成遺伝子群がイネの4番染色体上でクラスターを構成していることがわかっています。興味深いことに、イヌビエのゲノムにも、モミラクトン生合成遺伝子群と高い類似性をもつ遺伝子群がクラスターを形成し存在していました（図３）。このイヌビエのモミラクトン生合成候補遺伝子群のクラスターは、1つのゲノムにのみ存在することから、その起源は実体不明の2倍体から伝播したものと考えられます。また、これらの生合成候補遺伝子群は、イネとの混植ではほとんど発現誘導が見られませんでしたが、いもち菌（注５）の接種によって、顕著な遺伝子発現の誘導が認められました。このことは、イヌビエが病原菌への化学防御としてモミラクトン生合成遺伝子様クラスターを獲得し、水田内でより頑健性を保って生育する能力を高めてきたことを示唆しています。
　 このように、水田雑草のイヌビエは、化学防御システムとして複数のアレロパシー物質の生産能を遺伝子クラスターとしてゲノム内に獲得し、水田環境に巧みに適応してきたものと考えられます。

今後の予定・期待
　 本研究グループは、現在、イヌビエにおけるモミラクトン生産量の確認を進め、イネと比較して微量のモミラクトンを生産していることを明らかにしつつあり、モミラクトン生合成遺伝子の活性評価を進めています。今後は、イヌビエにおけるモミラクトン生産誘導機構を転写レベルで明らかにする研究も進めて行きます。これらの転写制御因子の解析を進め、すでに明らかにされているイネのモミラクトン生産制御因子との比較を行うことで、植物の化学物質を介した抵抗性発現機構における転写制御の進化についても解き明かされることが期待されます。