森林総合研究所

平成 28 年版

研究成果選集スギ雄花形成に関わる遺伝子を特定し花粉症対策に活かす
林木育種センター			
九州育種場 			九州大学			

坪村 美代子
栗田 学
渡辺 敦史

要 旨
社会問題化しているスギ花粉症への取り組みとして、花粉の少ないスギや無花粉スギなどの花粉症対策品種の開発が求められています。花粉症対策に貢献する優れた品種を効率的に作るためには、花粉を作り出す雄花の発達過程を詳しく理解することが重要になります。今回私たちは、スギの雄花ができ始める 8 月から花粉が飛散する 3 月まで、雄花の切片を観察し、その形態的な特徴からスギ雄花の発達段階を 10 のステージにわけ、各ステージで働く遺伝子を明らかにしました。この成果は、花粉形成に関連した遺伝子に着目した新たな花粉症対策品種の早期選抜技術の開発につながります。
研究の背景
社会問題化しているスギ花粉症への取り組みとして、花粉の少ないスギやまったく花粉を出さないスギなどの花粉症対策品種の開発が進められています。スギは木材生産を目的に植栽される林業樹種であるために、花粉の量だけでなく、より早く大きくなる特性や、より良質な木材を生産するための特性を持たせることも考慮して品種の開発を進めることが重要になります。成長や材質に優れた花粉症対策品種を開発するにあたって、雄花や花粉が少ない個体を「遺伝子」に着目して選ぶことができれば、これまで 15 年以上かかっていた花粉の少ないスギ品種などの開発期間を大幅に短縮できる可能性があります。そこで今回、新たな品種を早期に選抜する技術の開発につながる基盤情報の整備を目的に、スギの雄花の発達過程で働く遺伝子について情報の集積を行いました。
スギ雄花の発達ステージの決定
スギの雄花が形成されてから花粉が飛散するまでの間に、スギの雄花や花粉はどのように発達するのでしょうか？その過程を明らかにするため、スギの雄花が形成された 8 月から花粉の飛散が確認された 3 月までの 8 ヶ月間にわたり、定期的に雄花をサンプリングし、切片を作製して組織観察を行い、その形態的な特徴からスギの雄花の発達段階を 10 のステージに区分しました（図 1）。
各発達ステージで発現する遺伝子の解析
スギの雄花の発達に伴い、どのような遺伝子が働いて64いるかを明らかにすることは、花粉症対策品種の開発を行う上で、研究のターゲットとする遺伝子を選定する際の重要な情報となります。今回、DNA マイクロアレ
イ解析※と呼ばれる技術を使って約 2 万種類の遺伝子の各ステージでの発現量を解析した結果、そのうち約 8千種類の遺伝子がステージ間で発現量が異なることが分かりました（図 2）。また、これら約 8 千種類の発現量の変化から 10 段階に区分したステージは、4 区分にまとめられることがわかりました（図 3）。
今回決定したスギの雄花の発達ステージと各ステージで発現する遺伝子の情報を基に、各遺伝子が雄花の発達や花粉形成に果たす役割を明らかにしていきたいと考えています。そして、それら雄花の発達や花粉形成に重要な働きをする遺伝子を指標にした花粉の生産性の評価手法の開発を目指し、成長等の林業特性が優れかつ花粉症対策にも高い効果を発揮する品種の早期開発へとつなげていきます。
本研究は、農林水産省「森林資源を最適利用するための技術開発」、林野庁「無花粉スギと精英樹の人工交配による新品種開発とその早期判定技術の開発」、JSPS 科研費（JP26850103）「スギ雄性不稔原因遺伝子の単離－多様な無花粉スギリソース整備に向けて－」による成果です。
詳 し く は、Tsubomura, M. et al.（2016）Tree
Physiology doi:10.1093/treephys/tpw001 をご覧ください。

図表ページ１

このページに全図表（タイトル及びコメント付き）の割り付け例を示す。

FFPRI

A1
図表ページ１A2A3
F1F2F3
このページに全図表（タイトル及びコメント付き）の割り付け例を示

1す。

63mm

2132

B2A2B1 A1B3A33mm3mm

C1B1C2B2C3B34354

D1C1D2C2200μm
100μm

E2D2E1 D1E1100μm

E2550μm50μm

H2G2G3H3H4H1I150μm

200μm
200μm

H2I23mm

30μm

200μm

H430μm50μm

I3J3I43mm

200μm

3mm

50μm

E350μm

200μm

I2J2I1J150μm 30μm

H3I3I491050μm

100μm

F3G3200μm
100μm

3mm

E3D33mm

3mm

H1
G198100μm
50μm

50μm

G2F23mm
3mm

C3D33mm3mm

100μm

3mm
3mm

87

100μm
100μm

200μm
200μm

G1F1

76

100μm
200μm

200μm
200μm

3mm3mm

3mm

200μm

200μm

J1

図 1 スギ雄花の発達ステージ

10200μm

J230μm

50μm

100μm

J3片片図1 スギ雄花の発達ステージ
各ステージの指標となる形態を以下に記載します。
各ステージの指標となる形態を以下に記載します。ステージ1(A1-A3):鱗 の原基が確認されます（写真は8/9に採取した
3mm
100μm100μm50μm
ステージ
1（A1-A3）:鱗片の原基が確認されます（写真は8/9 に採取した雄花）。 200μm3mm雄花）。ステージ2(B1-B3):鱗 の基部に、胞子形成細胞の形成が確認されます（写真は9/6に採取した雄花）。ステージ
ステージ2（B1-B3）:鱗片の基部に、胞子形成細胞の形成が確認されます（写真は9/6に採取した雄花）。
3(C1-C3): 花粉母細胞とタペート細胞が確認されます（写真は10/5に採取した雄花）。ステージ4(D1-D3):減数分裂期の花粉
ステージ
3（C1-C3）:
花粉母細胞とタペート細胞が確認されます（写真は10/5に採取した雄花）。
図1スギ雄花の発達ステージ母細胞が確認されます（写真は10/11に採取した雄花）。ステージ5(E1-E3):花粉四分子が確認されます（写真は10/12に採の原基が確認されます（写真は8/9に採取した各ステージの指標となる形態を以下に記載します。ステージ1(A1-A3):鱗ステージ 4（D1-D3）: 減数分裂期の花粉母細胞が確認されます（写真は10/11 に採取した雄花）。
取した雄花）。ステージ6(F1-F3):遊離した小胞子が確認されます（写真は10/13に採取した雄花）。ステージ7(G1-G3):タペー雄花）。ステージ2(B1-B3):
鱗 花粉四分子が確認されます（写真はの基部に、胞子形成細胞の形成が確認されます（写真は9/6に採取した雄花）。ステージ
ト細胞の分解が確認されます（写真は10/25に採取した雄花）。ステージ8(H1-H3):フィブラスバンドが確認されます（写真はステージ 5（E1-E3）:
10/12 に採取した雄花）。
3(C1-C3): 花粉母細胞とタペート細胞が確認されます（写真は10/5に採取した雄花）。ステージ4(D1-D3):減数分裂期の花粉11/8に採取した雄花）。ステージ9(I1-I3):花粉内に2つの核が確認されます（写真は12/22に採取した雄花）。ステージ10(J1ステージ 6（F1-F3）: 遊離した小胞子が確認されます（写真は 10/13 に採取した雄花）。
母細胞が確認されます（写真は10/11に採取した雄花）。ステージ5(E1-E3):花粉四分子が確認されます（写真は10/12に採J3):花粉の飛散が確認されます（写真は3/26に採取した雄花）。
ステージ7（G1-G3）:
タペート細胞の分解が確認されます（写真は10/25に採取した雄花）。
取した雄花）。ステージ6(F1-F3):遊離した小胞子が確認されます（写真は10/13に採取した雄花）。ステージ7(G1-G3):タペー
ステージ8（H1-H4）:
フィブラスバンドが確認されます（写真は11/8に採取した雄花）。
ト細胞の分解が確認されます（写真は10/25に採取した雄花）。ステージ8(H1-H3):フィブラスバンドが確認されます（写真はステージ 9（I1-I4）: 花粉内に 2 つの核が確認されます（写真は 12/22 に採取した雄花）。
11/8に採取した雄花）。ステージ9(I1-I3):花粉内に2つの核が確認されます（写真は12/22に採取した雄花）。ステージ10(J1ステージ1J3):花粉の飛散が確認されます（写真は3/26に採取した雄花）。
ステージ 10（J1-J3）: 花粉の飛散が確認されます（写真は 3/26 に採取した雄花）。
片

片

PC2（17.1%）
PC2（17.1%）

遺伝子

遺伝子

I

I

II

ステージ345678

II

9 10

ステージ10

ステージ3

ステージ10ステージ9IV

ステージ9
ステージ4
III
ステージ5
ステージ6
ステージ4ステージ8
ステージ7
III
ステージ5
ステージ6
ステージ8
PC1（50.8%）
ステージ7
現

現

現

現

現

現

現

現

異現

現

現

現

図3 発 遺伝子に基づく10ステージの主成分分析
PC1（50.8%）
発 遺伝子のパターンをもとに、10のステージのグループ分
けを行いました。大きくわけて4区分（I:ステージ1〜3、II:ス
図3図発
3 遺伝子に基づく10ステージの主成分分析
発現遺伝子に基づく 10 ステージの主成分分析
テージ4〜7、III:ステージ8、IV:ステージ9〜10）に分類できるこ
遺伝子のパターンをもとに、10のステージのグループ分発 発現遺伝子のパターンをもとに、10のステージのグループとがわかりました。
けを行いました。大きくわけて4区分（I:ステージ1〜3、II:ス
分けを行いました。大きくわけて 4 区分（I: ステージ 1 〜 3、II:テージ4〜7、III:ステージ8、IV:ステージ9〜10）に分類できるこステージ 4 〜 7、III: ステージ 8、IV: ステージ 9 〜 10）に分類とがわかりました 。
できることがわかりました 。

現

現

異

図2 マイクロアレイ解析による遺伝子の発 解析
1 2 3量を示した約8千種類の遺伝子の、4 5 6 7 8 9 10
ステージ なる発ステージ間で量の変化を示します。縦軸が遺伝子ステージごとの発解析
図図2
2 マイクロアレイ解析による遺伝子の発マイクロアレイ解析による遺伝子の発現解析の種類を示し、横軸がステージを示しています。線の色はなる発量を示した約8千種類の遺伝子の、ステージ間でステージ間で異なる発現量を示した約 8 千種類の遺伝
発 ステージごとの発量を表し、赤色が濃いほど発量が多いことを示し、量の変化を示します。縦軸が遺伝子子の、ステージごとの発現量の変化を示します。縦軸が量が少ないことを示しています。
青色が濃いほど発の種類を示し、横軸がステージを示しています。線の色は遺伝子の種類を示し、横軸がステージを示しています。
発 量を表し、赤色が濃いほど発 量が多いことを示し、線の色は発現量を表し、赤色が濃いほど発現量が多いこ
青色が濃いほど発 量が少ないことを示しています。とを示し、青色が濃いほど発現量が少ないことを示しています。

IV

ステージ2
ステージ3

現

2

現

1

ステージ2
ステージ1

※については、巻末の用語解説をご覧ください。
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