2023 年 1 月 19 日
報道機関 各位
東北大学大学院生命科学研究科
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アフリカの栽培イネが芒（のぎ）を失った理由～アジアとアフリカで異なる遺伝子の選抜が起きたことを解明～【発表のポイント】○ イネの芒（のぎ）は種子先端に形成される突起状の構造物で、野生イネでは自然状況下において種子の拡散や種子の保護に役立っている。
○ イネはアジアとアフリカの 2 地域で独立に栽培化されたが、どちらの地域のイネでも芒は栽培化の過程で失う方向に選抜された。
○ アジアイネとアフリカイネでは異なる遺伝子が選抜されることにより、芒喪失という共通の表現型を達成することができた。

【概要】
人類はおよそ１万年かけて、野生イネを改良して栽培に適したものにしてきました。
イネはアジアとアフリカの 2 地域で独立に栽培化されましたが、その標的となった表現型は両者で共通するものが多く、芒の喪失もその 1 つでした。東北大学大学院生命科学研究科の別所-上原助教ら、名古屋大学そのほかの共同研究チームは、栽培化の過程でアフリカイネが芒（のぎ、種子先端にできる突起状構造物）を失う原因となった遺伝子変異を同定しました。これまでに研究チームは、アジアイネの芒喪失に RAE1 と RAE2 の 2 つの遺伝子の機能欠損が重要であったことを示してきましたが、アフリカイネの芒喪失については詳しくわかっていませんでした。本研究では、アフリカイネにおける芒喪失は RAE3 という遺伝子の機能欠損が原因であったことを示しました。これまでアジアイネとアフリカイネの栽培化関連形質は、同じ遺伝子の異なる変異が選抜されることにより達成されてきたと報告されていましたが、今回初めて、アジアイネとアフリカイネで共通の栽培化形質（芒の喪失）が異なる遺伝子変異の選抜によってもたらされたことを明らかにしました。
この研究成果は、2023 年 1 月 17 日付で米国科学雑誌「Proceedings of the National
Academy of Sciences」電子版に掲載されました。

www.tohoku.ac.jp

【詳細な説明】
イネは人類の活動エネルギーの約 21%を供給している重要な作物です。我々が食するイネはもともと存在していたわけではなく、約１万年かけて、野生イネから栽培化されてきました。栽培化とは、雑草のように可食部が少なく、栽培しにくい形態を持つ野生イネから、人間が扱いやすくて収量が高いイネを選び出し、農業を営む上で都合の良いイネを生み出す過程のことを指します。イネの栽培化は、アジアとアフリカの 2地域で起こりました。アジアでは野生種 Oryza rufipogon から栽培種 O. sativa（アジアイネ）が、アフリカでは野生種 O. barthii から栽培種 O. glaberrima（アフリカイネ）がそれぞれ栽培化され、現在この 2 種のイネが食されています。栽培化においては様々な形態的・生理的特徴が標的となってきました。例えば、直立した草型注 1)、種子の脱粒のしにくさ注 2)、種皮の色注 3)、そして、芒の喪失などがあげられます。
芒とは種子先端に形成される突起状の構造物のことで、イネ科植物に一般的に見られる特徴です。野生イネは非常に長い芒を有していますが、栽培イネでは無芒もしくは非常に短い芒がある程度です（図 1）。野生イネの芒は、自然条件下においては動物の毛皮にからまることで種子拡散に寄与し、鳥や獣による食害から種子を保護する役目があります。しかし、人間が扱う上では収穫時に皮膚を傷つけたり、播種が煩雑になったり、種子貯蔵時の「かさ」が増すなど、厄介な特徴でもあったため、イネにおいては芒を消失する方向に選抜がかかったと考えられています。
私たちはこれまでにアジアのイネにおいて、O. rufipogon から O. sativa へと栽培化される過程で Regulator of Awn Elongation 1 (RAE1)と RAE2 の 2 つの遺伝子が機能を失うことにより芒を喪失した（もしくはとても短くなった）ことを報告してきました（Furutaet al. G3 2015; Bessho-Uehara et al. PNAS 2016）。しかし、一方でアフリカの栽培種 O.
glaberrima は、芒を失っているにも関わらず、RAE1 と RAE2 の 2 つの遺伝子を機能型で保持していることがわかりました。このことから、O. glaberrima の栽培化においては RAE1、RAE2 とは別の遺伝子が選抜されることにより芒を失ったということが示唆されていました。
そこで今回、私たちは O. sativa に O. glaberrima を戻し交配注 4)した系統を用いて、遺伝学的な解析を行い、O. glaberrima が芒を失う原因となった遺伝子 RAE3 を突き止めました。RAE3 遺伝子は幼穂や雄しべ特異的に高発現しており、芒を形成する時期に特異的に発現していることがわかりました。また RAE3 遺伝子はタンパク質をユビキチン化する機能をもつ複合体の一つの酵素である E3 ユビキチンリガーゼをコードしていました。酵母を用いた実験から、RAE3 タンパク質が E1、E2 酵素と協調して基質タンパク質にユビキチンを付加する機能を持つことがわかりました注 5)。基質タンパク質はユビキチンが付加されることによって、(1)26S プロテアソーム系へ輸送され分解、(2)細胞内局在が変化、もしくは(3)タンパク質の性質変化が引き起こされると考えられます。機能型 RAE3 は芒を伸長させることが可能であることから、RAE3 タンパク質の基質となる未同定のタンパク質は芒伸長のシグナルを抑制するようなものではないかと類推されます（図 2）。

また、アフリカの野生種 O. barthii、栽培種 O. glaberrima とアジアの栽培種 O. sativaの RAE3 遺伝子配列を比較したところ、O. glaberrima 特異的に 48 bp の塩基欠失が生じていました。この塩基欠失は終止コドン注 6)を含んでいたため、O. glaberrima の RAE3
タンパク質は O. barthii の RAE3 タンパク質に比べて長くなっていることがわかりました。また、O. barthii と O. sativa は機能型 RAE3 を保持していることが明らかとなりました。E3 ユビキチンリガーゼの C 末端の配列は基質認識領域だと予想されています。
O. glaberrima の RAE3 遺伝子ではこの領域に大幅な変異が入ることによって基質を認識できなくなり、基質のユビキチン化ができなくなったと考えられます。さらに、染色体断片部分置換系統群注 7)の中から、RAE1、RAE2、RAE3 がそれぞれ機能型、非機能型の複数の組み合わせ系統を選抜し、遺伝型と芒表現型を比較しました。この結果、RAE1、RAE2 は芒伸長に対してそれぞれ独立に機能すること、また RAE3 は単独では芒伸長に寄与せず RAE1 または RAE2 のどちらかとペアになることで芒伸長を促進することが明らかとなりました（図 3）。本研究により、同じシグナル経路上にある 3 つの遺伝子のうち、アジアでは RAE1 と RAE2、アフリカでは RAE3 という異なる遺伝子が選抜されることによって、芒を失うという同じ表現型を独立に獲得したことが示されました。

【本研究成果の意義】
イネは離れた 2 地域で栽培化されてきたにも関わらず、2 つの栽培イネはよく似た形態的特徴を示します（直立した草型、難脱粒性、白い種皮色）。驚くべきことに、これらの表現型の選抜に関わるとされてこれまでに同定された遺伝子は、アジアのイネとアフリカのイネで同じものでした注 1, 2, 3)。本研究により、異なる遺伝子の選抜が芒の喪失という同一表現型の獲得の原因であったことが明らかとなり、アジアとアフリカでのイネの栽培化は独立に起きたことをより強く示す証拠となりました。

【用語説明】
注 1) 直立した草型
草の姿形のこと。野生イネでは茎が地面にくっつくほど開ききった形をしているが、それでは茎の先端にできる穂を収穫しにくいため、栽培化の過程でまっすぐ伸びる草型が選抜された。Prostrate growth 1 (PROG1) 遺伝子が栽培化の過程で選抜され、アフリカの栽培イネ O. glaberrima ではこの遺伝子を丸ごと欠失し、アジアの栽培イネ O. sativa では遺伝子内に塩基置換が入ることによって機能を喪失した。
注 2) 種子の脱粒のしにくさ
野生イネは、風に吹かれた時に散らばるもしくは動物に付着させることで種子を散布しており、その場合、穂から外れやすい（脱粒しやすい）方が適応的である。しかし農業を行う上では脱粒すると収量が減ってしまうため、脱粒しにくい形質が栽培化の過程で選抜され、栽培イネでは脱粒しにくくなった。OsSH1 遺伝子が栽培化の過程で選抜され、O. glaberrima ではこの遺伝子を丸ごと欠失し、O. sativa では遺伝子中の 13 bp の欠失により機能を喪失した。
注 3) 種皮の色
野生イネでは種皮にアントシアニンが蓄積し、赤色を呈すものが多いが、栽培化により種皮が白いものが選抜された。Rc 遺伝子が栽培化の過程で選抜され、O. glaberrima では遺伝子内で複数の塩基置換が起き、O. sativa では O. glaberrima のものとは異なる塩基置換ならびに塩基欠失により機能を喪失した。
注 4) 戻し交配 (Backcross)
交配して作った雑種（子孫）に対して、最初の親のうち片方を再び交配すること。本研
究では、まず O. sativa と O. glaberrima を交配して作った F1 に対して O. glaberrima を再び交配し、BC1F1 (backcross 1 time) を作出した。その後、O. glaberrima の戻し交配をさらに 2 回行った BC3F1 を自殖させた BC3F2 を材料に、RAE3 遺伝子を突き止めた。
注 5) ユビキチンの付加

E1(活性化酵素)、E2(結合酵素)、E3(ユビキチンリガーゼ)の 3 つの酵素の働きにより、標的タンパク質（基質タンパク質）にユビキチンを結合させる翻訳後修飾系のこと。ほぼ全ての真核生物で保存された機構であり、ユビキチンが付加された基質タンパク質は分解されたり、機能や性質が変化したりする。
注 6) 終止コドン
mRNA の連続した塩基 3 つを 1 組とした配列をコドンと呼び、コドンに対応する tRNAが 1 つのアミノ酸を運ぶ（例えば ATG というコドンはメチオニンを規定する）。終止コドンはいずれのアミノ酸にも対応せず、タンパク質翻訳を終わらせる、すなわち、翻訳を終止させる役割を果たす。
注 7) 染色体断片置換系統群
CSSL（chromosome segment substitution lines）とも呼ばれる。2 つの系統を交配して、戻し交配を繰り返すことにより染色体の一部だけが片方の系統に、そして染色体の大部分がもう片方の系統に置換した系統群のこと。

【図】

図 1. 野生イネ（有芒）と栽培イネ（無芒）の種子。種子の上に長く伸びる突起状の構造物が芒。

図 2. 芒伸長における RAE3 タンパク質の役割。

図 3. 予想されるアジアとアフリカにおける RAE1、RAE2、RAE3 遺伝子の選抜過程と RAE1-RAE2-RAE3 の遺伝学的関係性。

【謝辞】
・科研費 学術変革領域研究(A)（JP20H05912）
・科研費 研究活動スタート支援（JP20K22644）
・科研費 特別研究員奨励費（JP15J03740）
・科学技術振興機構（JST）地球規模課題対応国際科学技術協力プログラム（SATREPS）「ミャンマーにおけるイネゲノム育種システム強化」(JPMJSA1706)【論文題目】
題目：REGULATOR OF AWN ELONGATION 3, an E3 ubiquitin ligase, is responsible for loss ofawns during African rice domestication
著者： Kanako Bessho-Uehara, Kengo Masuda, Diane R. Wang, Rosalyn B. Angeles-Shim,
Keisuke Obara, Keisuke Nagai, Riri Murase, Shin-ichiro Aoki, Tomoyuki Furuta, Kotaro Miura,
Jianzhong Wu, Yoshiyuki Yamagata, Hideshi Yasui, Michael B. Kantar, Atsushi Yoshimura,
Takumi Kamura, Susan R. McCouch, Motoyuki Ashikari**責任著者
筆頭著者情報：（氏名、所属）：別所-上原奏子（東北大学大学院生命科学研究科）
雑誌：Proceedings of the National Academy of Sciences
DOI：https://doi.org/10.1073/pnas.2207105120

【著者所属】東北大学・大学院生命科学研究科（別所-上原奏子）
名古屋大学・生物機能開発利用研究センター（永井啓祐、芦苅基行）
名古屋大学・大学院生命農学研究科（増田健吾、村瀬李梨）
名古屋大学・農学部（青木振一郎）
名古屋大学・大学院生命理学研究科（小原圭介、嘉村巧）
岡山大学・資源植物科学研究所（古田智敬）
九州大学・大学院農学研究院（山形悦透、安井秀、吉村淳）
福井県立大学・生物資源学部（三浦孝太郎）
農業・食品産業技術総合研究機構（呉健忠）
パデュー大学・農学部（Diane R. Wang）
テキサス工科大学・植物土壌科学部（Rosalyn B. Angeles-Shim）
ハワイ大学・熱帯植物土壌科学部（Michael B. Kantar）
コーネル大学・植物遺伝育種学部（Susan R. McCouch）【問い合わせ先】（研究に関すること）
東北大学 大学院生命科学研究科担当 助教 別所-上原 奏子（べっしょ-うえはら かなこ）
電話番号： 022-795-3543
E メール： kanako.bessho.b3@tohoku.ac.jp（報道に関すること）
東北大学大学院生命科学研究科広報室

九州大学広報室担当 高橋 さやか （たかはし さやか）

電話番号：092-802-2130

電話番号： 022-217-6193

E メール：koho@jimu.kyushu-u.ac.jp

E メール： lifsci-pr@grp.tohoku.ac.jp
東海国立大学機構 名古屋大学広報室

福井県立大学 生物資源学部

電話番号：052-789-3058

担当 准教授 三浦 孝太郎

E メール：nu_research@adm.nagoya-u.ac.jp（みうら こうたろう）
電話番号：0776-77-1443（代表）岡山大学総務・企画部広報課
担当 三村 涼子（みむら りょうこ）
電話番号：086-251-8415
E メール：www-adm@adm.okayama-u.ac.jp

E メール：miura-k@fpu.ac.jp