発表者
Longbiao Guo (China National Rice Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences教授) 
岡田 憲典       (東京大学生物生産工学研究センター 准教授)
野尻 秀昭       (東京大学生物生産工学研究センター 教授)
Longjiang Fan (Institute of Crop Science and Institute of Bioinformatics, Zhejiang University 教授) 

発表のポイント

◆水田雑草イヌビエ(注1)が複数のアレロパシー物質の生合成に関わる遺伝子群をゲノム上にクラスターとして保持していることを次世代シーケンスにより見い出しました。

◆イネのモミラクトン生合成遺伝子クラスターとトウモロコシのベンゾキサジノン生合成遺伝子クラスターの両方をイヌビエが保持し、ストレス誘導性も示すこと明らかにしました。

◆水田におけるイネと水田雑草とのアレロパシー物質を介した生存競争の攻防を示す遺伝的証拠であり、その誘導機構の理解から雑草防除への発展が期待されます。

発表概要

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。

発表内容

研究の背景

図1 イヌビエの系統樹解析
シロイヌナズナをアウトグループとして様々な単子葉植物との一遺伝子での系統樹を示す。イヌビエE.crus-galliはイネO.sativaとは離れており、むしろトウモロコシとの進化的距離が近いことがわかる。(拡大画像↗

図2 イヌビエとトウモロコシのDIMBOA生合成遺伝子クラスターの比較
イヌビエに見いだされた3コピーのDIMBOA生合成遺伝子様クラスターは、トウモロコシのDIMBOAクラスターと比較して、生合成に必要な遺伝子のみがコンパクトにクラスター化しているような構造をもつ。(拡大画像↗

図3 イヌビエとイネのモミラクトン生合成遺伝子クラスターの比較
イヌビエに見いだされたモミラクトン生合成遺伝子様クラスターは、イネゲノムに存在するモミラクトン遺伝子クラスターとのシンテニーは低いが、64 kbの領域に2つのジテルペン環化酵素遺伝子、1つの脱水素酵素遺伝子、そして2つのシトクロムP450酸化酵素遺伝子を保持している。
拡大画像↗

  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。

発表雑誌

雑誌名
:「Nature Communications
論文タイトル
Echinochloa crus-galli genome analysis provides insight into its adaptation and invasiveness as a weed
著者
:Longbiao Guo, Jie Qiu, Chuyu Ye, Gulei Jin, Lingfeng Mao, Haiqiang Zhang, Xuefang Yang, Qiong Peng, Yingying Wang, Lei Jia, Zhangxiang Lin, Gengmi Li, Fei Fu, Chen Liu, Li Chen, Enhui Shen, Weidi Wang, Qinjie Chu, Dongya Wu, Sanling Wu, Chenyang Xia, Yongfei Zhang, Xiaomao Zhou, Lifeng Wang, Lamei Wu, Weijie Song, Yunfei Wang, Qingyao Shu, Daisuke Aoki, Emi Yumoto, Takao Yokota, Koji Miyamoto, Kazunori Okada, Do-Soon Kim, Daguang Cai, Chulong Zhang, Yonggen Lou, Qian Qian, Hirofumi Yamaguchi, Hisakazu Yamane, Chui-Hua Kong, Michael P. Timko, Lianyang Bai & Longjiang Fan (Nature Communications 8, Article number: 1031 (2017) )
DOI番号
:10.1038/s41467-017-01067-5
論文URL
https://www.nature.com/articles/s41467-017-01067-5#auth-1
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問い合わせ先

東京大学大学生物生産工学研究センター 環境保全工学研究室 
准教授 岡田 憲典(おかだ かずのり)
Tel:03-5841-3070
Fax:03-5841-3070
E-mail:ukazokad<アット>mail.ecc.u-tokyo.ac.jp  <アット>を@に変えてください。
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用語解説

注1 イヌビエ
イヌビエは水田などに生育し、およそ250種の一年草あるいは多年草が存在するとされる。水田雑草の1つとして水稲で邪魔になる駆除対象の雑草である。その生態は稲作のサイクルに見事に適応し、田植え前後に芽生え、イネの出穂に先だって8月頃に開花結実し、イネが刈り取られる以前に次世代の種子をばらまく。イネに擬態し草形はイネとよく似ているので穂が出るまでわかりにくく、除草しにくい。
注2 ファイトアレキシン
ファイトアレキシンは、植物がさまざまなストレスに応じて生産する化合物。植物種毎にさまざまな種類の化合物が存在する。イネのファイトアレキシンは化学構造や生合成経路の違いから、ジテルペン系のモミラクトン類、ファイトカサン類とフラボノイド系のサクラネチンに分類される。今回研究の対象としたファイトアレキシンはジテルペン系のモミラクトン。
注3 他感作用
植物が他の植物の生長を抑える物質(アレロケミカル)を放出したり、あるいは動物や微生物を退けたり引き寄せたりする効果の総称。英語ではAllelopathy(アレロパシー)といわれる。
注4 RNA-seq
RNAの配列情報をDNAに変換し、そのDNAの配列を読むことにより、もとのRNAの配列を決定する手法。次世代シークエンサーによる高速シーケンスを用いてこの配列決定を行うことにより、遺伝子の発現状況を網羅的に解析されることが多い。今回の研究材料であるハイゴケのようなゲノム情報が不明な生物においても遺伝子発現情報を得ることができる。
注5 いもち病菌
いもち病は、Pyricularia oyzaeという糸状菌がひき起こす病気で、主にイネに感染し水稲における重要病害の代表的な存在である。イネのみに感染するわけではなく、種類によって様々な植物種にもイネのいもち病と同じような病斑をつくり感染する。
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