アブラナ科植物における分子遺伝学の変遷

誌名誌名 育種学研究 = Breeding research

ISSNISSN 13447629

巻/号巻/号 144

掲載ページ掲載ページ p. 114-120

発行年月発行年月 2012年12月

農林水産省 農林水産技術会議事務局筑波産学連携支援センターTsukuba Business-Academia Cooperation Support Center, Agriculture, Forestry and Fisheries Research CouncilSecretariat

特集記事

アブラナ科植物における分子遺伝学の変遷

諏訪部圭太

三重大学大学院生物資源学研究科，津市，干 514-8507

育種学研究 14:114-120 (2012)

Recent progress of molecular genetics in Brassicaceae

Keita Suwabe

Mie University， Tsu 514-8507， Japan

キーワード

DNAマーカー， SSR，連鎖地図，ハクサイ， QTL解析， シロイヌナズナ

1. はじめに

アブラナ科には，モデル植物であるシロイヌナズナ

(Arabidopsis thaliana)をはじめ，様々な農業作物種が属

している.その中でも Brassica属には，細胞遺伝学的に

明らかにされた「爵の三角形 (U1935) Jと呼ばれる ABC

ゲノムモデ、ルにより説明される種聞のゲノム関係がある.

2倍体種Brassicarapa (ハクサイ，n=10)， B. nigra (ク

ロガラシ， n=8)， B. oleraceα(キャベツ n=9)をそれ

ぞれ A，B， Cゲノム種とすると，B. juncea (カラシナ，

n=18)， B. napus (ナタネ，n= 19)， B. carinata (アピシニ

アガラシ，n= 17) はそれぞれ AB，AC， BCゲノム穫と

表される.つまり， 3つの 2倍体種を基本に，各種間で

の自然交雑によってそれぞれのゲノムが融合した 3つの

複 2倍体種が形成されたことを意味している.それぞれ

の種は，形態的に非常にバラエティーに富んでいるが，

RFLPや RAPD，オルガネラゲノムを用いた系統解析に

より上記系統関係は支持されている (Songet al. 1988).

B. rapaは，アブラナ科アブラナ属に属し，地中海地方

が起源とされている (Li1981) . 自然交雑により様々な

形態的特徴を有する亜種に分化し，ハクサイやカブ， コ

マツナ，パクチョイなど数多くの野菜類へと受け継がれ

ている.特にハクサイは，東アジア全般における重要な

野菜で，カブとパクチョイの自然、交雑により生じ， 10世

紀噴にはすでに在来品種の栽培が開始されていた(Li

1981) .約 600年前から様々な形質の改良が始まり，日本

へは 1866年に中国から導入されたと言われている.その

後も品種改良が盛んに行われ，一代雑種 (Fj) 品種が数

多く作出されている現在の育種目標は，病虫害抵抗性・

品質・形態・栽培適応性など多岐に渡っているが，明治・

大正期に育成された 4つの固定品種群(愛知郡・チーフ

2012年 9月 16日受領 日本育種学会奨励賞受賞(第 36号)Correspondence: suwabe@bio.mie-u.ac.jp

群・加賀群・捲心群)が基本となっている.

Brassica属種のゲノムは進化の過程で3重複により

ゲノムが巨大化したと考えられているが， 2倍体種にお

いては 500Mb程度と植物においては比較的小さなゲノ

ムサイズである (TheBrassica rapa Genome Sequencing

Project Consortium 2011) • シロイヌナズナと Brassica属

は 1450~ 2040万年前に共通祖先種から分化したとされ，

これら近縁種聞には共通祖先種由来のゲノム領域が存在

している (Yanget al. 1999). そのため，アブラナ科・ア

ブラナ属種聞におけるゲノム比較研究は，育種学や遺伝

学だけでなく，系統分類学・進化学など種の分化機構や

ゲノム進化を考える上でも興味深い研究対象である.

本稿では，アブラナ科植物における分子遺伝学研究の

ここ 10年の進歩について，筆者が 2000年から開始した

遺伝解析ツールの開発と農業形質の遺伝解析から得られ

た結果を中心に紹介する.

2. Brassica属におけるSSRマーカー開発法の確立

20世紀初めに，モーガンらはショウジョウパエを用い

た研究によって遺伝子は染色体上に一定の順序で線状に

並んでいることを明らかにし，同一染色体上に位置する

遺伝子群は互いに遺伝的連鎖をしているという概念を確

立した (Sturtevant1913). 当時は自に見える特定の遺伝

形質を指標にし，各形質の染色体上での存在位置の決定

や連鎖地図の構築が行われたが， ["自に見える表現型」の

変異とその判定には限りがあり， より精密で多数の情報

を有する指標が遺伝解析には必要であった このような

状況の中，分子生物学の進歩により， 1980年代には DNA

配列の違いを指標にしたマーカー (DNAマーカー)が開

発された.DNAマーカーには， RFLP (Restriction Fragment

Length Polymorphism)や RAPD (Random Amplified

Polymorphic DNA)， CAPS (C1eaved Amplified Polymorphic

Sequence)， SNP (Single Nucleotide Polymorphism) など

アブラナ科植物における分子遺伝学の変遷 115

様々なタイプが開発されているが，ここ 10数年注目され

ているのがマイクロサテライト (SimpleSequence Repeat:

SSR) である.マイクロサテライトは， 1 ~ 6塩基をコ

アとする繰り返し配列(サテライト DNA)で，真核生物

のゲノム中に散在している.サテライト DNAにはコア

単位の違いによりいくつかのタイプが存在するが，その

中で最も繰り返し単位が小さく，繰り返し数の変化によ

る遺伝的変異率が高いサテライト DNAがマイクロサテ

ライトである. ヒトでは，遺伝子内に存在するマイクロ

サテライトの繰り返し数の増加が原因となる神経疾患や，

ある種のガン細胞でのマイクロサテライト変異頻度の上

昇などのいくつかの特徴が明らかにされているが，その

機能の大部分は未だに分かっていない (Moxonand Wills

1999) しかし，高頻度に起こる繰り返し数の変化は DNA

マーカーとしての有効性が高く，遺伝学や生態学など様々

な研究分野で広く応用されている研究を開始した 2000

年当時，植物における SSRマーカーは様々な種において

開発初期段階にあり ，Brassicα属も例に違わず報告され

ている SSRマーカーはわずか 73種であった (Lagercrantz

et al. 1993， Kresovich et al. 1995， Szewc-McFadden et al.

1996， U zunova and Ecke 1999). 大小様々な研究グループ

が競い合って開発に取り組んでいたものの，遺伝学を行

うには不十分な数であった.そこで， small-inse此ゲノミッ

クライブラリーを用いた各種コアモチーフの効率的なス

クリーニング系を確立し，合計 343種の SSRマーカー

を開発した (Suwabeet al. 2002， 2004， 2006). データベー

スの充実や技術発展により現在では千を超える SSR

マーカーが Brassica属種においても開発されているが

(Ramchiary et al. 2011， Gao et al. 2011)，当時の状況で

は英国における BBSRC(Biotechnology and Biological

Sciences Research Council)主導の国家プロジェクト (Lowe

et al. 2004) をも先行していた

3. アブラナ科におけるSSRマーカーの汎用性

分子生物学やゲノム学の発展により，近年の遺伝解析

は個別集団での解析だけでなく種内あるいは種間での比

較解析へと幅を広げてきている.種間比較を行うために

は，近縁種あるいは異なる種においても相同ゲノム領域

を精度高く検出することが重要であり，異なる領域ある

いは同祖ではあるが相同ではない領域など類似したゲノ

ム領域を明確に識別できなくてはならない.Brωslca属

は，上述のような種間類縁関係があるため， より高精度

なDNAマーカーが必要であることは想像に難くないが，

開発した B.rapaのSSR-:(ーカーについて種内あるいは

近縁種間での汎用性を調査したところ， 95%を超えるマー

カーがB.rapa種内において適用可能であり，平均多型頻

度 (Polymorphisminformation content， PIC) も2塩基繰り

返しマイクロサテライトでは 0.677，3塩基繰り返しマイ

クロサテライトでは 0.404と高い水準を示した.同属近

縁種 (B.nigra， B. oleracea， B. juncea， B. napus， B. carinata)

においても 90%以上のものが DNAマーカーとして適用

可能であり，属の異なるアブラナ科植物(Raphanussativus，

Sinapis alba) においても 70%程度は適用可能であった.

シロイヌナズナに対しては 40%程度の適用率であった

が，これは両種のゲノム進化・構成を反映してのものと

思われた. これらの結果は，Brassica属 SSRマーカーの

DNAマーカーとしての質の高さを表しており， SSRマー

カーはアブラナ科遺伝学において強力な遺伝解析ツール

になることを示している.

4. B. rapaの高精度・高汎用性連鎖地図の構築

連鎖地図は，染色体上での遺伝子(座)の座乗位置の

決定や，ゲノム比較解析，染色体歩行による遺伝子単離

など様々な研究に幅広く利用されている.ゲノム全塩基

配列が解読された生物種においても，今もなお様々な場

面で大きな貢献を果たしている (Aryaet al. 2004). 植物

研究においても数多くの遺伝解析に用いられ，質的ある

いは量的形質に関与する遺伝子座の特定や，それを基に

した遺伝子の同定，異種間でのゲノム構造の比較など多

数の研究が報告されている (Wanget al. 1996).有用形質

に連鎖した DNA マーカーは，マーカー支援選抜育種

(Marker Assisted Selection: MAS) に応用することが可能

で， 目的とする形質の正確なスクリーニングや育種年限

の短縮など植物育種に寄与するところが大きい.また，

育種目標となる農業形質の多くは量的形質であるため，

連鎖地図を用いた解析は必要不可欠であり，高精度な連

鎖地図を構築することは遺伝解析における重要な要素で

ある. しかし，植物研究が対象とする生物種は膨大であ

り，研究開発途上である種も少なくないかasslca属に

おいても世界各地で様々な連鎖地図が作成されてきたが，

汎用性や共通性の高い連鎖地図は2000年当時には開発さ

れておらず，それぞれの研究者が独自の連鎖地図を作製

するしか術がなかった.そこで，開発した SSRマーカー

の高精度・高汎用性を発揮できる連鎖地図の構築を目指

した. SSRマーカーを含む 3種の DNAマーカー (SSR，

RFLP， RAPD) と94個体の F2集団による解析から，10

連鎖群・全長 1005.5cM ・262-:(ーカー・平均マーカ一間

距離 3.7cMの連鎖地図を構築した(図 1，Suwabe et al

2006， 2008， Isokawa et al. 2010). SSRマーカーは連鎖地図

全体に幅広く分散し平均 8.7cM間隔で合計 113個マッ

ピングされている.本地図は，アブラナ属初の SSRマー

カーを主とする連鎖地図であり，アブラナ科においても

シロイヌナズナに次ぐものである.

SSRマーカーを主骨格とする本連鎖地図を基に，国際

コンソーシアムとの連携による B.rapa連鎖群番号 (Al~

AI0)の国際統一基準を規定した (h即://www.brassica.info/

resource/maps/lg-assignments. php) . これにより，各々の

B. rapa連鎖地図を独自のものとして終わらぜるのではな

116

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図1. Brassica rapaの連鎖地図 (Suwabeet al. 2006，2008， Isokawa et al. 2010より改変)• 各連鎖群において， DNAマーカー名は右側，遺伝距離は左側に示す.B. rapa 国際統一連鎖群番号 (A1~

A10)は各連鎖群の上に示す. BRMSで始まるマーカーが開発した SSRマーカー.

く，相互に対応づける(あるいは共有する)ことを可能

にする基盤を確立できた.また シンテニーマップによ

る近縁種とのゲノム比較により ，B. napusのAゲノム由

来の染色体はB.rapaゲノムとの高い相同性を維持してい

るのに対し，シロイヌナズナの染色体は B.rapaゲノム内

に断片化されて散在していることを明らかにした

(Suwabe et al. 2006， 2008). これは，Brassica属の「爵の

三角形」を支持する結果であるとともに，アブラナ科植

物のゲノムには高い相向性を維持する同祖領域が未だに

存在し，種が分化した後も共通するゲノム領域を維持し

ながらそれぞれ進化してきたことを裏付ける結果である

しかしながら，同祖領域内においても挿入・欠失や置換，

方向性の不一致等が存在することから，Brassica属種の

進化過程は単純なゲノム倍化というものではなく，それ

ぞれの穏でゲノム再編成を繰り返しながら複雑に進化し

てきたことを示している.

以上のように，開発した SSRマーカーがアブラナ科遺

伝学やゲノム学にもたらす効果は大きく，現在，様々な

研究グループが Brassica属の連鎖地図統合やゲノム構造

比較，形質の遺伝解析等においてランドマークとして利

用している (Kimet al. 2006， Choi et al. 2007， Cheng et al

2009). また，国際コンソーシアムが進めている B.rapa

ゲノム全塩基配列解読プロジェクト (TheBrassica rapa

Genome Sequencing Project Consortium 2011) を波及する

基盤にもなっている

5. B. rapaの農業形質に関する分子遺伝学研究

上述の分子遺伝学ツールを用いて，病害抵抗性や自家

不和合性，植物生殖に関する研究を行ってきたが， ここ

アブラナ科植物における分子遺伝学の変遷 117

D 病原菌レース 連鎖群 QTLの存在位置 LOD 寄与率

Wakayama-01 A8 BRMS【297-BRMS-088 6.4 26.8

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Ano-01 A8 BRMS-297 -BRMS-088 25.7 71.7

A6 BN288D -WE24-1 3.5 15.9

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A. thaliana 第4染色体

B. rapa A8

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-圃・・.1自信:-;;;胡晴苦酒・・・ -・・・~~軍司団ロ:-;;;副膚ヨ:r_

1450-2040万年前

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図2 ハクサイ根こぶ病抵抗性にI却する研究

A 根こぶ病に感染したノ¥クサイの根， B 野菜茶業研究所が開発した強度抵抗性 F，品種 「あきめきJ，C:汚

染闘場での育成 (左 ・あきめき， 右 一般品種)， D 根こぶ病抵抗性の QTL解析， E 根こぶ病抵抗性遺伝子

陸 Crrl，Crr2領域のシロイヌブズナとのゲノム〉ノンテニー， F:根こぶ病抵抗性の進化仮説 BとCは野菜茶業

研究所松元哲博士よりご恵贈 DとEはSuwabeet a/. (2006) より改変

ではハクサイ根こぶ病抵抗性に関する遺伝学研究に焦点

を当てるー

根こぶ病は，士壌中に残存する病原菌によって引き起

こされる土壌伝染性の植物病害である(図 2A) 根こぶ

病菌 (Plasmodiophorabrassiωε) は，キャベツ ・ナ タネ ・

ハクサイ ・ダイコン ・カブなどアブラナ科植物を広く宿

主対象としている.土壌中の病原菌は休眠胞子として長

期間生存可能で耕種的 ・化学的防除が困難であるため，

本病に対しては抵抗性品種の作出が最も有望な防除法と

して期待されており，アブラナ科育種における重要な育

種目標の lつになっている

研究を開始した当時， いくつかのアブラナ科植物種に

おいて抵抗性遺伝子ー座の同定が報告されており， シロイ

ヌナズナにおいてはレース eに対する抵抗性遺伝子座

として単一の優性核遺伝子座 RPBlが同定されていた

(Fuchs and Sacrist加 1996)ーこの遺伝子座は，シロイヌナ

118

ズナ第 l染色体短腕に存在し，過敏感反応による細胞壁

のリグニン化によって病原菌の根部への拡散を防ぐと推

測されている.B. oleraceaにおいては最も研究例が多く，

レース 2に対する 2つの QTLが独立した研究によってそ

れぞれ同定されていた (Landryet al. 1992， Voorrips et al

1997). また， Fuchs and Sacristan (1 996)によって B.rapa

とシロイヌナズナの根こぶ病抵抗性は単一遺伝子座支配

と報告されていたが，B. rapaにおける遺伝解析では l遺

伝子座のみでは抵抗性のすべてを説明することができず，

Y oshikawa (1981)は寄与率の大きな遺伝子座とそれを補

う遺伝子座の存在を推定していた. このように，B. rapa

根こぶ病抵抗性の遺伝様式は様々な推測がなされてきた

が，抵抗性機構の統ーした見解は得られておらず，明確

な遺伝機構の解明には至っていなかった.

構築した連鎖地図を用いた遺伝解析 (QTL解析)によ

り，病原力の強い Wakayama.同 01に対しては 3つ (Crr1，

Crr2， Crr4) ，病原力の弱い Ano-01に対しては 2つの QTL

(Crr 1， Crr4)を同定し(図 2D)，1遺伝子座支配の形質

と長年考えられてきた B.rapa根こぶ病抵抗性において複

数遺伝子座制御の遺伝機構があることを明らかにした

(Suwabe et al. 2003， 2006) .ただし，B. rapaの本抵抗性の

すべてが複数遺伝子座支配というわけではなく，単一遺

伝子座支配のケースもその後報告されている(詳細は Piao

etal. 2009を参照).つまり 遺伝的起源を異にする複数

の抵抗性機構が現在に受け継がれているというのが正し

い見解である.

Crr1とCrr4は， Wakayama四 01とAno-Ol両レースに共

通する抵抗性遺伝子座で，Crr2はWakayama-Olにのみ効

果のある遺伝子座である. これは，前者は抵抗性メカニ

ズムの基本となる遺伝子座であることを示唆している.

後者について詳しく調べてみると， Wakayama-Olに対す

るCrr1とひげは，それぞれ単独では抵抗性に効果がな

いが，両遺伝子座が共に存在すると抵抗性を発揮し，さ

らにそれぞれの遺伝子座をホモ型に持っとより効果が高

い. これは，それぞれの遺伝子座が独立した機能を持っ

ており，相互作用的に機能することを示唆している.

3つの根こぶ病抵抗性 QTLのうち寄与率の高い Crr1と

Crr2は，シロイヌナズナでは第4染色体長腕部に重なり

合って存在している(図 2E). これは，連鎖地図と BAC

物理地図の両面において支持されている (Suwabeet al

2006，2012). B. rapaゲノムに存在する根こぶ病抵抗性遺

伝子は，祖先種ゲノムのこの lか所の領域を起源とし，

それらが進化の過程で別々の領域に転座・分化したので

はないかと考えている.つまり，共通祖先種において同

じ機能を有していたかは不明で、あるものの，根こぶ病抵

抗性遺伝子の起源は Brassicα属とシロイヌナズナが分化

する以前にすでに存在していたのかもしれない.その起

源と進化については 2つの仮説を考えている(図 2F).最

初の仮説は，根こぶ病抵抗性遺伝子は l遺伝子起源で，

Brassicα属植物がシロイヌナズナと分化した後，ゲノム

諏訪部

再編成の過程で抵抗性遺伝子が重複し，それらが別々の

染色体領域に転座したとする説である.転座したそれぞ

れの遺伝子は，進化の過程で独自に機能分化しそれに

よって複雑化する病原菌に対応する新たな抵抗性機構や

より強度な抵抗性へと進化していったのではないかと考

えられる. もう lつの仮説は， クラスターを組んで存在

する機能の異なる 2つの抵抗性遺伝子が，種分化に伴う

ゲノムの巨大化・再編成によって別々の染色体領域に転

座したとする説である.シロイヌナズナ等においては，

病害抵抗性遺伝子は染色体上でクラスターを組んで存在

すると報告されており (Holubet al. 1997， Hulbert et al

2001) ，実際に Crr1• Crr2領域を含むシロイヌナズナの

当該ゲノム領域は，病害抵抗性関連遺伝子クラスター

rr吋orrecognition complexの l種 MRC-H(Holub 1997，

Botella et al. 1997， Speulman et al. 1998)である.本領域に

は， leucine rich r巴peat(LRR)や nucleotidebinding site

(NBS)などの特徴的なモチーフを有する遺伝子がクラス

ターを組んでおり ，Peronospora parasitica Vこ対する抵抗

性遺伝子RPPやPseudomonassyringaeに対する抵抗性遺

伝子RPSなど数多くの病害抵抗性遺伝子が見つかってい

る.根こぶ病抵抗性遺伝子もこの病害抵抗性遺伝子クラ

スターを構成する遺伝子に起源があり ，Brassica属の進

化の過程でゲノム内に分散し新たな抵抗性メカニズムへ

と進化していったのではないだろうか.現時点ではこれ

らの仮説が正しいかは明らかではないが，いずれの仮説

においても根こぶ病抵抗性の多様化を導くことが可能で

ある.

これら分子遺伝学研究を基に， 2010年には Crr1遺伝

子が同定され，病害抵抗性遺伝子に典型的な TIR-NBS-

LRR型の遺伝子であることが明らかになった(岳山ら

2010) また， 20日年には連鎖 SSRマーカーによる MAS

育種によって強度抵抗性「はくさい中間母本農9号」と

FJ品種「あきめきjが開発・育成された(図 2B，C). 研

究ツールの開発から始めたハクサイ根こぶ病抵抗性研究

は，約 10年の聞に遺伝機構の解明と原因遺伝子の同定，

抵抗性品種の作製が達成された 基礎研究と応用研究の

両面から育種学に貢献できたことはこの上ない喜びであ

る.今後，Crr2遺伝子の同定を含めた分子レベルの研究

が進むことで，本抵抗性システムの包括的な理解やその

進化機構の解明，さらに強度な抵抗性品種の作出が進む

ことを期待している.

6. おわりに

国際コンソーシアムによる B.rapaゲノムドラフトシー

ケンスの解読 (TheBrassica rapa Genome Sequencing

Project Consortium 2011) を筆頭に，アブラナ科分子遺伝

学の研究基盤は着実に進歩してきている. これは DNA

7 ーカ一作成等の地道な研究活動と次世代シーケンサー

に代表されるような近年の革新的技術の賜物であるが，

アブラナ科植物における分子遺伝学の変遷 119

10年前には想像もつかないほどの研究環境の進歩・発展

であり，モデル植物と非モデ、ル植物聞の研究環境のギ、ヤツ

プも少しずつ小さくなってきているように思う. しかし

ながら，それと同時に遺伝解析などの伝統的研究法や研

究に用いる植物自身の遺伝的素性・特徴の重要性を軽ん

じてはいけない.先人達の築いてきた遺伝学・育種学の

礎は，技術が発展した現在においても変わることはない.

このような学聞に対する哲学や歴史を受け継ぎ，植物の

謎を解き明かすことに貢献できるよう今後も精進してい

きたい.また，志を共にする後進の育成にも励み，アブ

ラナ科作物研究の発展に貢献していきたい.

謝辞

以上の研究は，野菜茶業研究所， John Innes Centre，東

北大学，三重大学において様々な方の多大なるご協力と

ご支援を得て行われたものである 本来であればすべて

の方々のお名前を記して感謝を述べるべきであるが，紙

面の都合上不可能であるため，ここでは研究をご指導く

ださった神山康夫先生，平井正志先生，池谷祐幸先生，

松元哲先生， Ian Bancroft先生，鈴木剛先生，渡辺正夫先

生を代表として挙げさせていただき，感謝の意とする

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