名古屋大学
生物機能開発利用研究センター

「浮きイネ」の仕組みと起源を解明！ ～洪水で沈んでも背を伸ばして生き延びる～

名古屋大学生物機能開発利用研究センター 芦苅 基行 教授、東北大学 生命科学研究科 黒羽 剛 助教らの共同研究グループは、洪水に適応し、背丈を急激に伸長させて生き延びることができる「浮きイネ」を制御する鍵遺伝子を発見し、その分子機構と起源を明らかにしました。
本研究成果によって、長期間、洪水が続いても生存可能なイネ品種の開発や、環境に応じてイネの背丈を人為的に制御する技術の確立が期待されます。
この研究成果は、2018年7月13日付の米国科学雑誌「Science」オンライン版に掲載されました。

ポイント

研究背景と内容

植物は、これまで様々な過酷な環境に適応する進化を遂げてきました。植物の生存に水は必須ですが、水没してしまうほどの大量の水は生存を脅かします。東南アジアでは、毎年雨期になると水かさが数メートルにもなる洪水が発生し、この過酷な環境が約4～5ヶ月続くこともあります。この過酷な環境では、ほとんどの植物は生きていけませんが、バングラデシュをはじめとしたアジアの洪水地帯で栽培される「浮きイネ」は、ユニークな進化を遂げてきました。浮きイネは、完全に水没してしまうような洪水が長期間続いても、急激に草丈（イネの身長）を伸ばして水面から葉を出し生き延びることができます（図1）。この伸長能力は非常に高く、時には草丈が数メートルに至るほどです。しかし、その詳細な仕組みや起源については明らかになっていませんでした。

そこで私たちは、ゲノムワイド関連解析^注1)および連鎖解析^注2)と呼ばれる遺伝学的手法を用いることにより、浮きイネの水没に応答した草丈の伸長に関わる鍵遺伝子としてSD1 (SEMIDWARF1) 遺伝子を発見しました（図2）。イネは水没すると、エチレン^注3)と呼ばれるガス状の植物ホルモンを発生し体内に蓄積します。続いて、OsEIL1aというタンパク質^注4)が蓄積し、これがSD1遺伝子に働き掛けて SD1 タンパク質を多量に生産させることがわかりました。SD1 タンパク質は、植物の草丈を伸長させる機能を持つ植物ホルモンであるジベレリン^注5)を合成する酵素タンパク質です。また、一般的なイネも SD1 タンパク質を保持していますが、浮きイネの SD1 タンパク質の酵素活性は、一般的なイネのものよりも圧倒的に高いことも判明しました。さらに、一般的なイネが成長するときには主にGA₁と呼ばれるタイプのジベレリンを生産しますが、浮きイネの SD1 タンパク質は、GA₁よりもGA₄と呼ばれるタイプのジベレリンを約20倍も多く生産する能力を持つことが明らかになりました。GA₄はGA₁に比べてより強く草丈の伸長を誘導します。以上のような巧妙なメカニズムにより、浮きイネは水没するとGA₄を効率良く生産し、草丈の急激な伸長を引き起こしていることが明らかになりました。

一方、私たちは、浮きイネのSD1遺伝子を手掛かりにして、様々なイネの遺伝子情報を比較することにより、浮きイネの起源にも迫りました。現在、私たちが栽培しているイネは、野生イネと呼ばれるイネの祖先から約8,000年の年月をかけて栽培化されたと考えられています。私たちは、浮きイネのSD1遺伝子が、南アジアや東南アジアに生息していた一部の野生イネにおいて生じた変異^注6)に由来することを明らかにしました。さらに、この変異を持つ浮きイネSD1遺伝子は、バングラデシュにおける浮きイネの栽培化に利用されたことも判明しました。

SD1遺伝子は別名「緑の革命遺伝子」とも呼ばれ、この遺伝子の機能を喪失したイネ（半矮性イネ）は、ジベレリンの含量が低下することで草丈が低くなり、台風などの強風や豪雨でも倒れにくくなります（背の高いイネは収穫時に風雨に遭うと倒伏します）（図3左）。1960年代以降、この機能喪失型の SD1 遺伝子 (sd1) を保持した系統が数多く作出されました。これらの系統は化学肥料と共に利用され、倒伏せず高収量あるため、アジアで広く利用されました（緑の革命）。現在でもアジアで育成される多くのイネ品種がsd1を保持していることからも、この遺伝子が人類にとってどれだけ重要かがわかります。一方、浮きイネはSD1遺伝子の機能を逆に強化させることで、洪水時に急激に草丈を伸ばすことができるようになったと言えます（図3右）。人類は、同じ遺伝子の異なる変異を用いて、草丈を低くする方向だけでなく、逆に高くする方向への育種にも利用していたことが明らかになりました。

成果の意義

本研究による浮きイネの洪水への適応メカニズムの解明を通して、イネは同じ機能を持つ遺伝子であっても、その働き方を変えることにより、様々な環境への適応能力を獲得し育種に利用されてきたことがわかりました。また、本研究により、これまで不明であった浮きイネの起源が初めて明らかにされました。近年、世界各地において降水量の減少による乾燥・砂漠化や、多雨による大洪水といった異常気象が相次いで報告されています。今回明らかになった成果を応用することにより、高収量の浮きイネ品種の開発や、様々な環境変化に応じてイネの草丈を調整する技術の確立が期待されます。

参考図

用語説明

掲載雑誌、論文名、著者