発表者
橋本 将典 (はしもと まさよし)(ドイツ・マックスプランク植物育種研究所 客員研究員
        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 日本学術振興会特別研究員)
難波 成任 (なんば しげとう)
       (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 教授)

発表のポイント

◆ノックアウトするとウイルス抵抗性になる植物タンパク質遺伝子を発見しました。

◆この遺伝子は植物細胞でウイルスが増殖するのに必須のタンパク質遺伝子ですが、植物の生長には影響ありません。

◆ゲノム編集技術を利用すれば、この遺伝子を欠失させたウイルス抵抗性作物の開発につながります。

発表概要

植物ウイルスは農作物に様々な病気を引き起こしますが、宿主植物の様々なタンパク質(注1)を利用することにより植物体に感染します。そのため、ウイルスが利用する植物タンパク質の遺伝子が変異するとウイルスは植物に感染できなくなります。この現象は「劣性抵抗性」(注2)と呼ばれ、効果・持続性が高いウイルス抵抗性として作物の抵抗性育種において利用されています。しかし、植物ウイルスに対して「劣性抵抗性」を引き起こす原因遺伝子はほとんど明らかにされていませんでした。
 「ポテックスウイルスグループ」(注3)は、ジャガイモの主要病害であるジャガイモXウイルスなど約40種の重要なウイルスから構成される主要な植物ウイルスグループの一つです。このグループのウイルスによる被害が近年急速に拡大しているにもかかわらず、ほとんどのウイルスに対する抵抗性品種が実用化されていないため、早急な対策が求められています。
 今回、東京大学大学院農学生命科学研究科の橋本将典研究員、難波成任教授らの研究グループは、約10000個体の変異体集団から、ポテックスウイルスが全く感染できない植物変異体を見出しました。この植物の全ゲノム解読や遺伝解析により原因遺伝子を特定し、植物に広く存在する遺伝子の変異によりウイルスが感染できなくなることを初めて明らかにし、この遺伝子をEssential for poteXvirus Accumulation 1 (EXA1)と名付けました。さらに、EXA1を欠損した植物で、ウイルス感染の初期段階が抑制されていることを示し、またEXA1は他のポテックスウイルスに対しても広く抵抗性を示すことを明らかにしました。
 EXA1遺伝子の特定はポテックスウイルスに対する劣性抵抗性品種開発に直結する成果です。ゲノム編集技術(注4)などのバイテク技術を利用して、農作物のEXA1遺伝子を欠失させ、国内外で問題となっているウイルスの抵抗性品種が開発される可能性が高まります。

発表内容


図1 ポテックスウイルスによる植物の病徴(拡大画像↗)


図2 EXA1による劣性抵抗性(拡大画像↗)

①研究の背景・先行研究における問題点
 世界の作物生産量のうち約3億人分に該当する食料が植物ウイルス病により失われており、温暖化などの影響によりその損失は世界的に増加する傾向にあります。ウイルス病には防除効果のある化学農薬が存在しないため、作物と近縁種もしくは変異体間の交配により生み出された抵抗性品種の利用が最も効果的な防除手段ですが、抵抗性品種開発には膨大な労力と時間が必要とされるため、増加し続ける植物ウイルスの被害に対して抵抗性品種開発が追いついていないのが現状です。

ウイルスは“生物”ではないため、宿主の中で増殖し、感染範囲を広げていくためには、宿主の様々なタンパク質を利用する必要があります。そのため、植物ウイルスが利用する重要な植物タンパク質が突然変異などにより失われるとその植物体にウイルスは感染することができなくなります。この現象は「劣性抵抗性」と呼ばれ、ウイルスが利用するタンパク質の遺伝子が欠損することによりウイルス抵抗性を示す植物品種は「劣性抵抗性品種」と呼ばれます。劣性抵抗性品種は耐性ウイルス(注5)が発生しにくく持続性が高いことから、貴重な抵抗性品種として利用されています。ウイルスが利用する植物タンパク質を決定することができれば、突然変異導入によるマーカー育種(注6)やゲノム編集などのバイテク技術を用いて様々な作物においてその遺伝子を欠失させ、短期間で劣性抵抗性品種を開発することが可能になるため、ウイルスが利用する植物遺伝子を決定することは重要です。しかし、ウイルスに対する劣性抵抗性品種の原因遺伝子が決定された例は翻訳開始因子(eIF4EとeIF4G)(注7)のみであり、これらの変異により抵抗性を受けるウイルスはポティウイルス等の一部のウイルスグループのみに限られています。

「ポテックスウイルスグループ」は、世界中でジャガイモ生産に被害を与えるpotato virus X (PVX)を代表とし、約40種の植物ウイルスを含む主要な植物ウイルスグループです。このグループには、世界的にトマト生産に甚大な被害を起こし我が国への侵入が最も警戒されているpepino mosaic virus (PepMV) や、ラン、ユリ等の花卉作物に高頻度で発生し商品価値を低下させるcymbidium mosaic virus (CymMV)、plantago asiatica mosaic virus (PlAMV)等の重要なウイルスが含まれています(図1)。これらによる被害が近年急速に拡大しているのに対して、このグループのウイルスは接触伝搬(注8)により容易に周りの植物に広がるため防除対策を講じるのが極めて困難であり、抵抗性品種も未だに実用化されていないため早急な対策が求められています。そこで研究グループは、効果・持続性が高い劣性抵抗性品種開発に向けて、ゲノム情報が整備され遺伝学的解析が容易なモデル植物シロイヌナズナを用いることでポテックスウイルスが利用する宿主遺伝子を決定し、その機能を解明しました。

②研究内容
 はじめに、シロイヌナズナ変異体約10000個体に対して、シロイヌナズナに感染するポテックスウイルスPlAMVを接種し、ウイルス感染の有無を調査しました。その結果、ウイルスが全く感染できない変異体1個体を見出しました(図2)。

次に次世代シークエンサーを用いてこの変異体の全ゲノム解読や遺伝学的解析を行うことにより劣性抵抗性の原因遺伝子の特定に成功し、この遺伝子をEssential for poteXvirus Accumulation 1 (EXA1) と名付けました。EXA1はこれまで機能が明らかにされていない遺伝子であり、イネ、トマトを含む広範な植物種にも存在することを見出し、さらに構造を詳細に調べたところヒトやマウスで翻訳に関わるタンパク質と類似した構造をもつことが分かりました。

さらに研究グループは、細胞レベルでウイルスの増殖をモニターし、EXA1が欠損した植物細胞では、ウイルスはほとんど増えることができないことを発見しました。このことから、EXA1の変異による劣性抵抗性が強力である理由は、ウイルスの増殖が初期段階で抑制されるためであると考えられました。さらに、EXA1を欠失した変異体には、PlAMVに加えてPVXなど他の2種類の異なるポテックスウイルスも感染できないことが分かりました。この結果から、EXA1遺伝子の変異による劣性抵抗性はポテックスウイルス全般に対して有効である可能性が高まりました。

③社会的意義・今後の予定など
 世界の作物生産量のうち約3億人分に該当する食料が植物ウイルス病により失われており、植物ウイルス病を防ぐ手段の開発が世界的に求められています。また、今後我が国の農業を発展させ、農産物を輸出し攻めの農業を展開していくためには、植物病に侵されていない高品質な国内農産物の生産が重要です。そのため、国内で発生する重要ウイルスや海外から侵入する未知のウイルスに対して、有効な防除手段を開発することが日本の農業生産を守る上で急務です。

本研究は、ポテックスウイルスに有効な劣性抵抗性を初めて発見し、その原因となる遺伝子EXA1を明らかにしましたが、これは様々な作物での劣性抵抗性品種開発に直結する成果です。EXA1遺伝子の配列をもとに遺伝子マーカーを設計すれば、放射線処理などにより生み出される膨大な数の変異体集団の中から効率よくウイルス抵抗性変異体を選抜することが可能になります。また、近年、ゲノム編集技術により、農作物でも標的とする遺伝子配列を自在に改変することが可能になりつつあります。ゲノム編集技術は従来の遺伝子組換え技術と異なり、標的遺伝子の改変後に、導入した組換え遺伝子を取り除くことが可能なため、「遺伝子組換え技術を用いるものの組換え遺伝子が残らない」技術です。そのため、従来の遺伝子組換え技術に比べて生産者や消費者の理解が得られやすいと言われており、実際にアメリカではゲノム編集技術を用いて開発されたトウモロコシとキノコが農務省による遺伝子組換え作物の検査を免除されています。本研究の成果により、農作物に様々なバイテク技術を利用してEXA1を欠失させ、国内外で問題となっているウイルスに対する抵抗性品種が開発される可能性が高まりました。

発表雑誌

雑誌名
「The Plant Journal」(英国の国際植物科学誌)
論文タイトル
EXA1, a GYF domain protein, is responsible for loss-of-susceptibility to plantago asiatica mosaic virus in Arabidopsis thaliana.
著者
Masayoshi Hashimoto, Yutaro Neriya, Takuya Keima, Nozomu Iwabuchi, Hiroaki Koinuma, Yuka Hagiwara-Komoda, Kazuya Ishikawa, Kensaku Maejima, Yasuyuki Yamaji and Shigetou Namba.
DOI番号
10.1111/tpj.13265
論文URL
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.13265/full

問い合わせ先

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 植物病理学研究室
教授 難波 成任(なんば しげとう)
Tel:03-5841-5053
Fax:03-5841-5054
研究室URL:http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/ae-b/planpath/index.html

用語解説

注1 遺伝子とタンパク質
生物の遺伝情報は、4種類のデオキシリボ核酸(DNA)からなる配列(塩基配列と呼ばれます)として記録されています。DNAに記録された遺伝情報は、タンパク質として合成されることで初めて機能します。最初に「転写」という反応によりDNAから、メッセンジャーRNAと呼ばれるリボ核酸(RNA)が合成されます。さらにメッセンジャーRNAから、「翻訳」と呼ばれる反応により、さまざまな生理活性をもつタンパク質が合成されます。上記の過程によりタンパク質合成の設計図となるDNA配列を遺伝子と呼びます。
注2 劣性抵抗性
ウイルス感染に特に重要な植物タンパク質が失われると、ウイルスは感染できなくなり、植物には「劣性抵抗性」と呼ばれるウイルス抵抗性が付与されます。劣性抵抗性は他の抵抗性に比べて効果や持続性が高いことから、イネ、オオムギ、トマト、レタス、ピーマン、メロン等の作物で抵抗性品種が利用されています。
注3 ポテックスウイルス
ひも状粒子をもつ1本鎖RNAをゲノムとする大きな植物ウイルスグループで、分類学的にはポテックスウイルス属と呼ばれます。ポテックスウイルスには35種7暫定種が含まれ、ウイルス粒子は幅13 nm(ナノメートル)、長さ470-580 nmからなるひも状粒子です。代表的なウイルスとしては、世界中でジャガイモに感染し、他属のウイルスと重複感染して激しい被害を引き起こすPVXや、約10年前にヨーロッパで発見され急速に北南米などに感染範囲を拡大しトマト生産に甚大な被害を与え農林水産省の侵入警戒病害虫に指定されているPepMV、ランの主要ウイルスであるCymMV、世界のユリ生産地で大きな被害を与えるPlAMVなどが含まれます。
注4 ゲノム編集技術
ある特定の塩基配列に特異的なDNA分解酵素を用いることにより、標的とする遺伝子を自在に操作することをゲノム編集と呼びます。DNA分解酵素には、ジンクフィンガーヌクレアーゼ、TALEN、CRISPR/Cas9等があります。DNA分解酵素がターゲットとする塩基配列は、自由に設計でき、従来の遺伝子組換え技術に比べて、格段に遺伝子操作の自由度が高い点に特徴があります。植物では、ゲノム編集を行う際に必要なDNA分解酵素などの外来遺伝子を遺伝子組換えにより植物ゲノムに導入する必要がありますが、目的遺伝子を改変した後に、非組換え植物との交配により、次世代では外来遺伝子をもたない個体を得ることが可能です。このことから、遺伝子組換え技術を用いるものの組換え遺伝子を残すことなく標的の遺伝子のみを改変することができます。
注5 耐性ウイルス
近年、ヒトの病気においても抗生物質などが効かない耐性菌の発生が問題視されていますが、植物の病気においても抵抗性が効かない耐性菌・耐性ウイルスの発生が大きな問題となっています。最近問題になっているバナナの新パナマ病のように抵抗性の効かない耐性菌がいったん発生すると抵抗性品種が無力化され病害が急速に蔓延する危険性が高まります。特にウイルスはゲノムに変異が入りやすいため、抵抗性因子が標的とするウイルス遺伝子に変異が入ることにより、抵抗性が効かない耐性ウイルスが発生しやすいと考えられており、耐性ウイルスの発生はウイルスに対する抵抗性品種開発においても大きな課題です。しかし、劣性抵抗性はウイルス自身を標的とするのではなく、ウイルスが利用する植物側の因子を欠損させるため、耐性ウイルスが発生しにくく、抵抗性品種の維持期間が長いと考えられています。
注6 マーカー育種
標的とする遺伝子もしくはその周辺の遺伝子配列をもとにPCR等を用いて様々な遺伝子マーカーを設計し、それを用いて植物体のゲノムに標的遺伝子が存在するかどうかを判定することができます。抵抗性育種においては、病気にかかりやすい従来品種と病気に強い抵抗性品種の交配の繰り返しにより、抵抗性品種が持つ抵抗性遺伝子のみを従来品種に移しますが、交配の過程で生じた植物体に遺伝子マーカーを用いて抵抗性遺伝子の有無を判定することにより、効率よく抵抗性育種を行うことができます。
注7 翻訳開始因子
翻訳と呼ばれる反応により、メッセンジャーRNAの遺伝子配列をもとにタンパク質が合成されますが、翻訳反応の開始に関わるタンパク質を翻訳開始因子(translation initiation factor: eIF)と呼びます。翻訳開始因子には多数のタンパク質が含まれますが、そのうちeIF4EとeIF4Gと呼ばれる2つのタンパク質が植物ウイルスに対する劣性抵抗性の決定因子として報告されています。
注8 植物ウイルスの伝搬
植物ウイルスは感染植物から健全植物へ伝搬するために様々な手法をとります。昆虫により媒介される昆虫伝搬、土壌中に残存して新たな植物に感染する土壌伝搬、種子中に残存して次代の植物に感染する種子伝搬、農作業や雨水などにより健全植物の傷口から侵入する接触伝搬などが代表的な伝搬手段です。このうち、昆虫伝搬するウイルスに対しては昆虫を防除する殺虫剤、土壌伝搬するウイルスに対しては土壌消毒によりウイルスを防除する事ができます。