ISBN 978-4-902606-91-1

森林総合研究所

第２期中期計画成果集
重点課題イアａ
森林生物の生命現象の解明

ポプラの利点（Why do w

The poplar (genus Populus) conta

Advantage

1. A fast grow
2. Facility of
3. Facility of
4. Increasing
Gen
Gen
and

Populus nigra var. italica

A model oand molec

はじめに
生物機能を活用した新技術の創出に資するため、森林生物のゲノム情報の充実を図り、遺伝子の機能及びその多様性、環境ストレス応答機構等樹木の生命現象の解明並びにきのこ類及び有用微生物の特性の解明を進めました。
樹木のゲノム情報では、ポプラ完全長 cDNA を約 2 万種収集し、DNA マイクロアレイによる網羅的解析により多数の環境ストレス応答性遺伝子を特定しました。スギでも、雄花由来の完全長 cDNA を約 1 万種、花粉や辺材由来の発現遺伝子を収集し、機能付けを行い、新たな花粉アレルゲン遺伝子の候補を単離しました。収集した塩基配列情報は森林生物遺伝子データベース（ForestGEN）から公開し、多くの研究者に利用されています。また、次世代シーケンサーを用いてシイタケのゲノムを解読しました。
ポプラに及ぼす放射線の影響を解明し、放射線から樹木が防御する仕組みを DNA 修復
酵素遺伝子の発現と関連付けて説明しました。ポプラのオゾン傷害発生にエチレン合成が深く関与することを解明し、遺伝子組換え技術を用いオゾン耐性組換えポプラの開発に成功しました。また、遺伝子組換え技術を用いて、ポプラの花成制御や成長制御の仕組みを明らかにしました。その他にも、スギの花成制御遺伝子の単離と機能解明、シイタケの子実体形成に関わる遺伝子の単離や機能解明、白色腐朽菌のリグニン分解機構の解明に成功しました。
スギ天然林やヒノキ天然林の遺伝構造を解明し、それぞれの地域分化に寄与する適応的遺伝子の候補を特定しました。絶滅が危惧される樹種について、風媒繁殖様式を持つユ
ビソヤナギや虫媒繁殖様式のクロビイタヤを事例に、森林の断片化が遺伝的多様性と遺伝
子流動にどのように影響するかを明らかにしました。トウヒ属について広域分布種から絶滅危惧種まで数種を含めて地理的遺伝構造を明らかにしました。一方、ヒラタケ属きのこ” バ
イリング” の分類学的位置を明らかにするとともに、アジア産マツタケの原産地判別法を開発し、きのこのトレーサビリティの確立に貢献しました。
平成 23 年 3 月
独立行政法人

森林総合研究所

研究コーディネータ

編集委員会
編集委員長
編集委員

研究コーディネータ
森林遺伝研究領域長
生物工学研究領域長
きのこ・微生物研究領域長

篠原健司
吉丸博志
丸山 毅
馬場崎勝彦

篠原健司

第２期中期計画成果集
目 次
はじめに

イアａ

…………………………………………………………………………………………………… １

Ⅰ . 森林生物のゲノム情報の大規模収集
ポプラから約 20,000 種類の遺伝子を収集しました …………………………………………………… ４
ポプラから 19,841 種類の遺伝子（完全長 cDNA）を単離し、それらの塩基配列を解読しました。

ポプラの環境ストレス応答性遺伝子を大規模解析しました …………………………………………… ６
DNA マイクロアレイを用いて、ポプラの環境ストレス応答性遺伝子を 2,214 種類同定しました。

スギの花粉や雄花由来の発現遺伝子を大規模収集し、多数のアレルゲン候補遺伝子を発見しました …………………………………………………………… ８
スギの花粉や雄花でどうのような遺伝子が働いているかを解析し、アレルゲン候補遺伝子を発見しました。

心材成分生成時にスギの辺材で発現する遺伝子を大量に収集しました ……………………………… 10
心材成分の生成に関連する遺伝子を調べるため、スギの辺材で発現している遺伝子を初めて大量に収集しました。

次世代シーケンサーによるシイタケゲノムの解読をしました ………………………………………… 12
次世代シーケンサーとスーパーコンピューターにより、シイタケのゲノム DNA 解読を行いました。

Ⅱ . 森林生物の生物機能の解明
放射線は樹木にどのような影響を及ぼすのか明らかにしました ……………………………………… 14

放射線によって引き起こされたポプラの異常を調べ、放射線障害の防御にかかわる遺伝子を明らかにしました。

オゾン耐性組換えポプラは耐乾燥性や耐塩性を保持することを明らかにしました ………………… 16

オゾン耐性遺伝子組換えポプラの作出に成功し、耐乾燥性や耐塩性も保持することを明らかにしました。

ポプラの成長を制御することに成功しました …………………………………………………………… 18
遺伝子組換え技術を用いて、植物ホルモンを代謝する酵素遺伝子の発現を制御することで、ポプラの成長を制御することに成功しました。

ポプラの着花を制御することに成功しました …………………………………………………………… 20
遺伝子組換え技術を用いて、花成誘導遺伝子や花成抑制遺伝子の発現を制御することで、ポプラの開花を自在に制御しました。

スギ花成制御遺伝子の単離と機能解析に成功しました ………………………………………………… 22

スギの花成制御遺伝子を単離し、それらの遺伝子の機能について解析しました。

きのこの子実体形成に関連する遺伝子を特定しました ………………………………………………… 24
きのこの子実体形成には、光や重力などの環境刺激が重要であることが分かってきました。

白色腐朽菌のリグニン生分解は菌糸先端でおきることを明らかにしました ………………………… 26
白色腐朽菌は過酸化水素を菌糸先端部で生産し、リグニン分解酵素を働かせることを明らかにしました。

2

Ⅲ . 森林やきのこの遺伝構造の解明
ウラスギとオモテスギの地域分化を示す遺伝子を発見しました ……………………………………… 28
スギの多数の遺伝子を用いて、オモテスギとウラスギの地域分化に関連している遺伝子を見いだしました。

貴重なヒノキ天然林の遺伝的特徴を明らかにしました ………………………………………………… 30
ヒノキ天然林の地理的分化の解明や適応的遺伝子候補の検出を行い、保全や活用に必要な情報を得ました。

トウヒ属樹種の地理的遺伝構造を明らかにしました …………………………………………………… 32
日本海周辺地域のエゾマツ変種群や本州中部のヤツガタケトウヒなど、トウヒ属数種の地理的遺伝構造を解明しました。

希少樹種ユビソヤナギの遺伝構造と遺伝的多様性を明らかにしました ……………………………… 34
渓畔林の希少樹種ユビソヤナギで、河川開発による遺伝構造の変化と多様性の衰退を明らかにしました。

希少樹種クロビイタヤの生育地断片化が遺伝子流動に与える影響を明らかにしました …………… 36
虫媒の希少樹種クロビイタヤで、断片林分の間の自然環境が遺伝子流動に重要であることを示しました。

ヒラタケ属きのこ” バイリング” の分類学的位置を明らかにしました ……………………………… 38
バイリングがエリンギと同種であることを明らかにし、種苗登録で想定される所属種の問題を解決しました。

アジア産マツタケの DNA 原産国判別法を開発しました………………………………………………… 40
レトロトランスポゾンのＤＮＡ配列を指標にして、アジア産マツタケの原産国を判別する方法を開発
しました。

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森林総合研究所

第２期中期計画成果集

ポプラから約 20,000 種類の遺伝子を収集しました

生物工学研究領域
森林遺伝研究領域
研究コーディネータ

楠城時彦、西口 満、二村典宏、伊ヶ崎知弘
角 友之（現在の所属：総合研究大学院大学）
篠原健司

ポプラは、樹木で最初にゲノム配列が解読された樹種です。私たちは、ポプラの遺伝子を 19,841 種類収集し、それらの塩基配列を解読しました。これは、ポプラの総遺伝子数の約 40％に相当するもので、樹木の生理機能の研究にとってたいへん重要な知見となります。
また、集めた遺伝子を詳しく調べることで、乾燥や高塩濃度などに強い樹木の開発といった次世代のバイオテクノロジーに貢献することができます。

研究の背景と目的
ポプラは、建材や薪炭材として利用される実用林木であるだけでなく、樹木で最初にゲノムが解読された重要なモデル樹木です。しかし、樹木の生理機能の裏付けとなる遺伝子機能を効率的に解析するためには、ゲノム情報だけでは不十分であり、細胞内で機能する遺伝子をできるだけ多く集める必要があります。本研究は、組換え樹木の開発などに役立つ有用な遺伝子を大規模に収集することを目的としました。

完全長 cDNA の中には多数の重要な遺伝子が含まれていました。また、収集した遺伝子は 19 本の染色体上にほぼ均等に分布することも明らかになりました（図２）。
このような完全長 cDNA の大規模収集は、樹木では他に例を見ません。ポプラ完全長 cDNA は、樹木の構造ゲ
ノム学的研究だけでなく、機能ゲノム学的研究の進展に大きく貢献します。また、遺伝子組換えによる高環境耐性樹木や高バイオマス生産性樹木の開発、あるいは遺伝子マーカとして用いることで精英樹の選抜などに応用できます。今後は、ポプラ完全長 cDNA をもとに DNA マ
イクロアレイによる発現遺伝子の網羅的解析を進め、樹木の様々な生理機能の解明に挑戦する予定です。そして、
ポプラのバイオリソースの配布を通じて国際貢献に努め、樹木研究の発展に貢献したいと考えています。

ポプラ遺伝子の大規模収集
ポプラ（ セイヨウハコヤナギ、Populus nigra var.
italica ）の葉、茎、根や花の各器官、また乾燥、高塩濃度や低温などの環境ストレス処理をした葉から調製した
mRNA を鋳型にして、完全長 cDNA ライブラリーを作製しました。完全長 cDNA は、遺伝子の機能解析や組換え本研究は、交付金プロジェクト「ポプラ等樹木の完全体の作出にとって有用なバイオリソース（生物資源）です。 長 cDNA 塩基配列情報の充実」により行いました。また、
110,000 個以上のポプラ cDNA の塩基配列を解析した結 （独）理化学研究所植物科学研究センター（篠崎一雄セン
果、様々な機能を持つ 19,841 種類の遺伝子を同定しま ター長）との共同研究として推進しました。
した（図 1）。この数値は、ポプラのゲノムの概要解読か
詳しくは Nanjo et al. (2007) BMC Genomics 8: 448 をら推定される遺伝子数の約 40% に相当します。ポプラ ご覧下さい。
4

FFPRI

図１．ポプラ完全長 cDNA の機能分類
約 2 万種類のポプラ完全長 cDNA をそれぞれの塩基配列がコードするタンパク質の機能によって分類しました。J: タンパク質の翻訳，A: RNA のプロセッシングと修飾，K: 転写，L: DNA の複製・組換え・修復，B: クロマチンの構造変換，D: 細胞
周期・細胞分裂の制御，Y: 核構造，V: 防御機構，T: シグナル伝達，M: 細胞壁・細胞膜の合成，Z: 細胞骨格，W: 細胞外構造，U: 細胞内輸送・分泌，O: タンパク質の翻訳後修飾・代謝，C: エネルギー生産・変換，G: 炭水化物の輸送・代謝，E: アミノ酸の輸送・代謝，F: 核酸の輸送・代謝，H: 補酵素の輸送・代謝，I: 脂質の輸送・代謝，P: 無機イオンの輸送・代謝，Q: 二次代謝産物の合成・輸送，R・S: 不明

図２．ポプラ完全長 cDNA の染色体上での位置
ポプラのゲノム情報をもとに、私たちが収集した約 2 万種類のポプラ完全長 cDNAを染色体上にマッピングしました。棒状の図形は各染色体を示しています（染色体番号 1 ～ 19）。赤い部分がポプラ完全長 cDNA の位置を示しています。

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森林総合研究所

第２期中期計画成果集

ポプラの環境ストレス応答性遺伝子を大規模解析しました

生物工学研究領域
研究コーディネータ

楠城時彦、西口 満
篠原健司

本研究では、乾燥、高塩濃度や低温等の環境ストレスに対する樹木の分子応答機構を解析するために、DNA マイクロアレイによるポプラ遺伝子の網羅的発現解析を行いました。
DNA マイクロアレイを使うと、数万種から数十万種におよぶ遺伝子の発現を一回の実験で解析することができます。本研究では、ポプラの DNA マイクロアレイを使って、環境ストレスを加えた時に発現が変動する遺伝子を 2 千種類以上同定しました。それらの遺伝子群には、
高環境ストレス耐性組換え樹木の作出への応用が期待される有用遺伝子候補が多数含まれていました。

研究の背景と目的
樹木の環境ストレス応答機構や耐性機構の解明は、持続的な環境保全を考える上で大変重要な課題です。本研
究は、DNA マイクロアレイを用いてポプラの遺伝子の発現を網羅的に調べ、樹木の環境応答機構を明らかにするとともに、有用組換え樹木の開発に結びつく候補遺伝子の探索を目的としました。

理によって、発現が有意に変動する遺伝子を 2,214 種同定しました。それらのうち、ストレスにより発現レベルが上昇するものが 1,382 種、発現レベルが下降するものが 843 種でした（図 1）。また、同一のストレス処理でも処理時間（2、10 時間）により発現変動の上昇と下降が逆転するものが 11 種ありました。特に、ストレスによって発現レベルが上昇する、つまりストレス時に積極的にタンパク質を合成する遺伝子の中には、オリゴ糖やDNA マイクロアレイによる遺伝子発現の網羅的解析
アミノ酸の合成酵素遺伝子、転写因子やプロテインキナ
DNA マイクロアレイは、ガラスやプラスチックなどの ーゼなどストレスシグナルの伝達に関わる遺伝子などが基板の上に多数の DNA 断片や合成オリゴヌクレオチド 含まれていました（表１）。これらの遺伝子は、いずれもを貼り付けた実験器具で、DNA チップとも呼ばれます。 樹木の環境ストレス応答に深く関わっている可能性があDNA マイクロアレイを使うと、数万種から数十万種にお ります。
よぶ遺伝子の発現を一回の実験で解析することができます。本研究では、ポプラゲノム上にある遺伝子のほとん
本研究で得られた成果は、樹木の環境ストレス応答機
どすべてを搭載した DNA マイクロアレイを用いました。 構解明にとって重要な知見であるだけでなく、樹木独自
ポプラ（ セイヨウハコヤナギ、Populus nigra var. のストレス誘導性プロモーターの開発、環境ストレス耐
italica ）の葉に、乾燥、高塩濃度、低温やアブシジン酸 性遺伝子組換え樹木の開発、さらに耐性品種の DNA 選（ABA）のストレス処理（0、2、10 時間）を加えました。 抜マーカーの開発にも役立ちます。
ストレス処理前と処理後の本葉から抽出した RNA を本研究は、交付金プロジェクト「ポプラ等樹木の完全
DNA マイクロアレイと反応させることにより、ストレスに応答して発現が変化する遺伝子を解析しました。
長 cDNA 塩基配列情報の充実」により行いました。
詳しくは Nanjo et al. (2007) BMC Genomics 8: 448 を
ポプラのストレス応答性遺伝子の特定ご覧下さい。
乾燥、高塩濃度、低温及びアブシジン酸いずれかの処
6

FFPRI

図１．ストレス処理により発現が変動したポプラの遺伝子数
乾燥、高塩濃度、低温、アブシジン酸（ABA）の各処理により発現が変動した遺伝子数。左がストレス処理により発現が上昇した遺伝子グループ、右がストレス処理により発現が下降した遺伝子グループ。括弧内は各処理区のうち ABA 処理による発現変動が見られたもの（内数）を示します。

表１．ストレス処理により発現が上昇したポプラ遺伝子から推定したタンパク質の機能

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森林総合研究所

第２期中期計画成果集

スギの花粉や雄花由来の発現遺伝子を大規模収集し、多数のアレルゲン候補遺伝子を発見しました
生物工学研究領域
森林遺伝研究領域
研究コーディネータ

二村典宏、西口 満
伊原（宇治野）徳子、吉村研介
篠原健司

スギ花粉症は国民の 25% 以上が発症しているとも言われており、我が国の社会問題の一つになっています。花粉症をはじめとするアレルギーの原因となる物質のことをアレルゲンといいます。スギ花粉アレルゲンは既に複数明らかになっていますが、その全体像は明らかになっていません。そこで、スギの花粉や雄花で働く遺伝子を解析することにより、未知のスギアレルゲンを探索しました。その結果、既知のアレルゲンと類似している遺伝子を多数見つけました。アレルゲンに類似するスギ遺伝子の情報は、スギ花粉症の治療や診断の高度化に役立ちます。

研究の背景と目的
近年におけるスギ花粉症患者の急増は、深刻な社会問題となっています。くしゃみ、鼻水などの花粉症の症状を引きおこす原因物質として、Cry j 1, Cry j 2 等と名付けられたタンパク質（アレルゲン）が特定されています。
しかし、スギ花粉にはまだ特定されていないアレルゲンが多数あると考えられています。私たちは、未知のスギ
花粉アレルゲンを探索するために、スギの花粉や雄花でどのような遺伝子が働いているかを解析しました。

遺伝子があることも分かりました（図２）。

スギ花粉中のアレルゲン類似遺伝子の解析
スギ花粉で働く遺伝子の中に既知の植物アレルゲンと類似している遺伝子がないかを調べたところ、アレルゲ
ンと類似している遺伝子が 180 種類見つかりました（表１）。今後検証していく必要がありますが、これらの遺伝子から作られるタンパク質はアレルゲンとして働いている可能性があります。
収集した塩基配列データは公的データベースに登録
するとともに、森林総合研究所独自の情報提供の場とスギの花粉と雄花で働く遺伝子の解析
スギのゲノムはヒトの３倍以上ありますが、そのうち して森林生物遺伝子データベース (ForestGEN; http://
整理・
花粉や雄花の発達に関わっている遺伝子領域はごく一部 forestgen.ffpri.affrc.go.jp/ja/index.html)を構築し、に限られます。遺伝子領域の DNA からは mRNA が転写 統合した塩基配列情報を公開しています。ForestGEN でされ、この情報をもとにタンパク質が合成されます。ス は、グラフィカルで直感的な高性能ビューアを採用してギの花粉や雄花で働いている遺伝子を解析するためには、 おり、データの瞬時参照を実現しています。キーワード
花粉や雄花から mRNA を抽出し、これをもとに cDNA による検索や配列の類似性検索も可能であることから、を合成します（図１）。ある器官で働く様々な遺伝子から アレルゲンに類似するスギ遺伝子の情報を花粉症の治療・転写された mRNA（メッセンジャー RNA）をもとに作 診断のための医学研究に役立てるといった用途での活用成した cDNA のセットのことを cDNA ライブラリーとい が期待されます。
います。本研究では、スギの花粉と雄花の cDNA ライブ
本研究は、森林総合研究所の交付金プロジェクト「ポラリーを解析することにより、どのような遺伝子が働いているか、さらには既知の植物アレルゲンと類似してい プラ等樹木の完全長 cDNA 塩基配列情報の充実」及び農る遺伝子があるかを調べました。このうち雄花の cDNA 林水産省の新たな農林水産政策を推進する実用技術開発
ライブラリーは、完全長 cDNA から構成されています。 事業「スギ雄花形成の機構解明と抑制技術の高度化に関私たちはスギ花粉と雄花の cDNA ライブラリーから、 する研究」により、理化学研究所植物科学研究センター
それぞれ 1,929 個と 19,437 個の cDNA をピックアップ 他との共同研究で実施したものです。
詳しくはFutamura et al. (2006) Tree Physiology 26: 1517して塩基配列を解析しました。cDNA の塩基配列情報を整理した結果、それぞれ 1,365 個と 10,463 個の遺伝子 1528 及び Futamura et al. (2008) BMC Genomics 9: 383 をを同定することができました。それらの中には、様々な ご覧下さい。
機能を持つ遺伝子が含まれおり、過去に報告の無かった
8

FFPRI

図１ ゲノム DNA と遺伝子・mRNA・タンパク質と cDNA との関係。
ゲノム DNA からは、不要な配列が取り除かれてタンパク質をコードする配列のみに整理された mRNA が転写されます。
mRNA から人工的に合成する cDNA のうち、完全長 cDNA は、断片 cDNA と異なり、タンパク質合成に必要な全ての情報を保持しています。完全長 cDNA は、遺伝子の機能解析や組換え体の作出にとって有用なバイオリソース（生物資源）です。

表１ スギ遺伝子と相同性を示した既知の花粉アレルゲン

図２ スギで発現している遺伝子の機能分類
スギ雄花で発現している遺伝子をそれぞれの塩基配列がコードするタンパク質の機能によって分類しました。
J：タンパク質の翻訳、A：RNA のプロセッシングと修飾、
K：転写、L：DNA の複製・組換え・修飾、B：クロマチンの構造変換、D：細胞周期・細胞分裂の制御、Y：核構
造、V：防御機構、T：シグナル伝達、M：細胞壁・細胞膜の合成、N：細胞運動、Z：細胞骨格、W：細胞外構造、U：細胞内輸送・分泌、O：タンパク質の翻訳後修飾・代謝、C：エネルギー生産・変換、G：炭水化物の輸送・代謝、E：アミノ酸の輸送・代謝、F：核酸の輸送・代謝、H：補酵素の輸送・代謝、I：脂質の輸送・代謝、P：無機イオンの輸送・代謝、Q：二次代謝成分の合成・輸送、R・S・X：不明9

森林総合研究所

第２期中期計画成果集

心材成分生成時にスギの辺材で発現する遺伝子を大量に収集しました

生物工学研究領域

吉田和正、西口 満、二村典宏、楠城時彦

スギの木部には、心材色や病害防御に関わるノルリグナンという成分が含まれますが、それらが作られる過程は不明です。そこで、ノルリグナンを作る酵素遺伝子を探すために辺材で働いている遺伝子を収集しました。収集した 1,050 個の遺伝子を解析した結果、木材成分の生合成に関係すると推定される 16 種類の酵素遺伝子を見つけました。これらの遺伝子の中にノルリグナンの生合成に関与する酵素遺伝子が含まれる可能性があります。さらに、樹木を環境ストレスや病虫害から守る働きをしていると予想される遺伝子も多数見つかりました。今回収集した遺伝子は、ノルリグナンの生合成経路や樹木の防御機構の解明に役立つと考えられます。

研究の背景と目的
スギ科やヒノキ科樹木の木部には、ノルリグナンと呼ばれる抽出成分が含まれていますが、それらの生合成酵
素は特定されていません。そこで、ノルリグナンの生合成経路を明らかにするため、ノルリグナンの生合成に関わる酵素の候補遺伝子を探しました。
ノルリグナンとは？
ノルリグナンの中には、心材色素の前駆物質と推定されているものや、傷害を受けた辺材で生成し抗菌性をもつものがあります。材色や樹木の耐病性の向上にノルリ
グナンの利用が考えられますが、そのためには生合成酵素や生合成経路を知る必要があります。
樹木のノルリグナン生合成機構の解明が遅れている理由として、ノルリグナンが幹や枝の内部（木部）で作られること、そして木部からの酵素タンパク質の抽出・精製が難しいことが挙げられます。ところで、スギを伐採
し丸太を室内に放置すると、日数の経過とともに辺材中にノルリグナンが生成します。本研究では、この現象に着目し、伐採直後の辺材とノルリグナンを生成している辺材で働いている遺伝子を比較することによって、ノル
リグナンの生合成に関連する酵素の候補遺伝子を探せると考えました。
スギ辺材からの遺伝子の大量収集とノルリグナンの生合成に関連する遺伝子の選別
10

スギを伐採し丸太を室内に置いておくと、その辺材中にノルリグナンの一種アガサレジノールが生成し、その量は 40 日後に最多となることを確認しました（図１）。
そこで、40 日後の辺材で特徴的に働いている遺伝子を収集しました。収集した 1,050 個の遺伝子は、塩基配列が同じものをまとめて 504 個に整理されました。機能が推定できた 263 個の遺伝子を分類すると、もっとも多かったのは代謝に関連するものでした（図２）。この中から、
遺伝子の発現解析により、ノルリグナンの生合成に関与する可能性のある 5 種類の酵素遺伝子を選別しました。
さらに、樹木を環境ストレスや病虫害から守る働きをしていると予想される生体防御に関連する遺伝子が多数見つかりました。
今回収集した遺伝子は、ノルリグナンの生合成経路やスギの生体防御機構の解明に役立つだけでなく、遺伝子組換えによる樹木の耐病性や環境ストレス耐性の向上に利用できます。
本研究は、科学研究費補助金「スギ木部発現遺伝子の大量解析によるノルリグナン生合成酵素遺伝子の単離」によるものです。
詳しくは Yoshida et al. (2007) Tree Physiology 27: 1-9
及 び Yoshida et al. (2006) Journal of Wood Science 52:
372-375 をご覧下さい。

FFPRI

図１ スギ丸太の辺材中のアガサレジノール量の変化
伐採したスギの丸太を室内に置き、伐採当日（0 日）、10 日後、20 日後、40 日後、70 日
後にそれぞれ辺材を採取して、含まれるアガサレジノールの量を調べました。グラフの中の構造式はアガサレジノールを示しています。

図２ アガサレジノール生成時（40 日後）のスギ辺材で優勢に発現している遺伝子の機能分類
塩基配列から推定される機能にもとづいて 263 個の遺伝子を分類しました。
11

森林総合研究所

第２期中期計画成果集

次世代シーケンサーによるシイタケゲノムの解読をしました

きのこ・微生物研究領域
東京工業大学
きのこ・微生物研究領域

宮崎安将
金子真也
村田 仁、髙野麻理子、中村雅哉、馬場崎勝彦

この一世紀、日本は先頭に立って世界のシイタケ市場の開拓、品種や生産技術の開発を行ってきました。生産のグローバル化は、これまでに増して、生産現場の問題に即応する品種や将来展望を持つ戦略的な品種の開発を求めています。品種開発では遺伝情報の利用が重要ですが、栽培きのこでは利用出来ませんでした。そこで、遺伝情報を大規模に効率良く収集するため、次世代シーケンサーとスーパーコンピューターを用いてシイタケのゲノム解読を行いました。得られた情報はゲノムのほぼ全域をカバーすると同時に、未知の遺伝子情報を多数含んでいました。本成果は、シイタケの新たな品種開発を始め、食の安全性を図るための科学的根拠に基づく産地判別に必要なＤＮＡマーカーの開発などで役立ちます。

（2009 年公開）の全ゲノム情報と比較すると、ヒラタケ研究の背景と目的
この一世紀、日本は先頭に立って世界のシイタケ市場 の約 8,500 種の遺伝子と同等の機能を持つと考えられるの開拓、品種や生産技術の開発を行ってきました。世界 遺伝子（相同遺伝子）がシイタケに存在することや、多市場でのシイタケの商品価値の向上は、日本に富をもた 数の未知の遺伝子情報を含むことなどが明らかにできま。さらに、公開されているシイタケの発現遺らす一方で、シイタケ生産のグローバル化を推進するこ した（表１）とになりました。その結果、近年では輸入シイタケの増 伝子の情報の 97.2% に当たる 20,076 種の DNA 塩基配
本解読情報に含まれていました。
その結果に基づき、大等の問題を生み、日本のシイタケ産業を苦しめる原因 列は、にもなっています。生産者等からは、生産現場の問題に より完全な発現遺伝子情報を収集できました。
即応する品種や将来展望を持つ戦略的な品種の開発が要望されています。一方、品種開発では新たな特性や市場 品種開発や品種判別等に利用できる情報を収集
子実体形成に関わる遺伝子の情報は品種開発では特に価値を高めるために、遺伝情報の利用が重要ですが、栽培きのこでは利用出来る情報が殆どありません。そこで、 重要です。本解読により、新たに、子実体形成の誘導期
大規模に遺伝情報の収集が可能なゲノム解読を行いまし に発現している 341 種の遺伝子の情報を得ることができました。また、シイタケの品種判別用の DNA マーカー
た。
情報が約 50 種公開されていますが、それらの本ゲノム上での位置情報等も明らかにできました。
シイタケのゲノム解読
ゲノム解読とは、ゲノム上のＤＮＡの塩基配列情報を本成果は、基礎から応用まで幅広い分野での利用が考明らかにすることです。試料は、日本を代表する栽培品
種の一つ秋山 A567 号から調製しました（図１）。解読 えられますが、品種開発をはじめ、食の安全性を図るたは、技術進歩と効率を踏まえ、次世代シーケンサーとス めの科学的根拠に基づく産地判別に必要なＤＮＡマーカ
ーパーコンピューター ( 東京工業大学 ) を用いて行いま ーの開発などで役立つと考えています。
した（図２）。シイタケゲノムは約 3,500 万対の DNA の本研究は、実行課題「きのこ類の生理生態学的解明」
塩基配列からできており、得られた情報はゲノムのほぼ全域をカバーしていました。また、栽培きのこヒラタケ で行いました。
12

FFPRI

図１

解読したシイタケ品種

表Ｉ . 公開されているきのこの全ゲノム情報に対するシイタケの相同遺伝子の検索

種名

和名

全遺伝子数

相同遺伝子数（％）

Coprinopsis cinerea

ネナガノヒトヨタケ

13,394

8,209 (61,3)

Laccaria bicolor

オオキツネタケ20,614

11,149 (54.1)

Schizophyllum commune

スエヒロタケ

13,2088,625 (65.4)

Pleurotus ostreatus

ヒラタケ

11,6038,516 (73.4)

Phanerochaete chrysosporium（和名なし）

10,0487,459 (74.2)

Tremella mesenterica

コガネニカワタケ

8,313

4,271 (51.4)

情報処理
センター

FASTA_LE❾❾
ACGACGATTCGCG/// /// / ///ACGCCGAATTGCG

Next-Generation
DNA sequencer
次世代シーケンサーによる
DNA配列解析

シイタケ

スパコン“TSUBAME”

スーパーコンピューターを駆使したＤＮＡ配列の連結・統合（ゲノム構築）

（利用）
品種開発
生産現場

行政の現場

子実体形成を自在にコントロールする
技術開発

子実体形成に関連する遺伝子情報の大量収集

品種判別等に優れたDNAマーカーの開発

DNAマーカー情報の効率的収集ACGCTTCAGGTCATGGGCTTACTTGACCTGACt
gcatGGCTAct
ttaaaagtCCt
cagtACGCTTT
AGc………………..

全ゲノム解析完了！
公開

図２．シイタケゲノムの解読とその利用
13森林総合研究所

第２期中期計画成果集

放射線は樹木にどのような影響を及ぼすのか明らかにしました
生物工学研究領域

西口 満、二村典宏、楠城時彦、吉田和正

放射線は、医療、工業、原子力発電、育種など非常に広い分野で使われています。一方で、過度の放射線は生物に悪影響（放射線障害）を引き起こすことが知られており、放射線を安全に利用するためには、人間だけでなく様々な生物への放射線の影響を調べることが重要です。そこで、樹木への放射線障害とその防御機構を明らかにすることを目的として、ポプラに放射線を照射した後に生じる様々な異常について調べました。また、放射線照射により様々な遺伝子の発現量が変化することが分かり、樹木は放射線障害を防ぐために遺伝子レベル
で放射線に応答することを明らかにしました。

研究の背景と目的事故等により環境中に大量に放出された放射線は、樹木を含む様々な生物に悪影響を及ぼします。国際放射線防護委員会（ICRP）による 2007 年勧告においても、環境の放射線防護が新設され、人間以外の生物種について
放射線評価の枠組みを開発することが必要とされています。そのため、樹木への放射線影響の解明を目的として研究を始めました。

の消去にかかわるタンパク質（グルタチオン -S- トランスフェラーゼやペルオキシダーゼなど）の遺伝子等、多くの遺伝子の発現量がガンマ線照射後に増加し、活発にはたらいていることが分かりました。逆に、サイクリン
A1 タンパク質の遺伝子などは、ガンマ線照射により発現量が減少しました。本来、サイクリン A1 には細胞分裂を進めるはたらきがありますが、ガンマ線によって傷ついた DNA を修復する時間をかせぐために、その遺伝子発現量を減らして細胞分裂を停止させていると考えられます。このようにして、樹木の中では多くの遺伝子の働
放射線により生じる様々な異常
ポプラの苗木に放射線の一種であるガンマ線（注１） きが複雑に変化することで、放射線障害を防ぐ仕組みがを照射した後、普通の環境に戻して生育させると、照射 存在することが明らかになりました。
樹木への放射線の影響とその防御機構を明らかにする
後 4 週目頃から異常な形や色をした葉や茎が現れます（図1）。また、照射したガンマ線量が少ない場合には、ポプ ことにより、自然環境に放出される放射線の安全規制のラの成長量は非照射のものに比べて変化しませんが、ガ ための情報提供や、防御遺伝子を利用した様々な環境ス
ンマ線量が多くなると、成長が遅くなる、成長が止まる、 トレス耐性樹木の開発につながります。
あるいは枯れるといった異常が生じました（図 2）。さら
本研究は、文部科学省原子力試験研究費「放射線によに、ガンマ線照射によって、ポプラの DNA（注２）が切断され短くなることも明らかにしました（図 3）。DNA る樹木の DNA 損傷と修復機構に関する研究」による成は遺伝子の本体であり、DNA が傷つくことによって、葉 果です。の形や色、成長に異常を引き起こすと推測できます。
言葉の説明（注１）ガンマ線 放射性物質の原子核から発生するエネ
放射線から樹木を防御する仕組み
ポプラが枯れる致死ガンマ線量は 150 ～ 200 グレイ ルギーの高い電磁波です。物質をよく透過するので、医（注３）と推定されました。樹木の中では放射線に弱い 療用具の滅菌、がん治療、金属・機械製品の非破壊検査とされるマツの致死線量は 5 ～ 39 グレイという報告が などに使われます。
あります。一方で、人間の致死線量は 4 ～ 7 グレイなのデオキシリボ核酸の略で、遺伝子の本で、樹木は比較的放射線に強いと考えられます。それで （注２）DNAは、樹木は放射線に対してどのような防御手段を持って 体である糸状の化学物質です。ポプラでは、1 細胞あた
いるのでしょうか？ それを探るため、ポプラの様々な遺 り約 10 億塩基対（約 34cm）の長さになり、その中に伝子の発現量（遺伝子のはたらいている量）を調べまし 45,000 種以上の遺伝子が存在すると予想されています。
た（図 4）。その結果、放射線によって傷ついた DNA を修復するタンパク質（DNA リガーゼ IV や RAD17 など） （注３）グレイ 放射線量の単位で、物質に吸収されるや、放射線によって作られた毒性の活性酸素や過酸化物 放射線のエネルギー量を表します。
14

FFPRI

図１ ガンマ線照射により生じた葉の形態異常
ポプラの普通葉（a）と、ガンマ線（100 グレイ）を照射したポプラで見られる葉の形態異常（b、c）。

図

１

ガ

ン マ

線

照 射

に よ

り 生

じ た

葉 の

形

態 異

ポ プ

ラ の

普 通

葉

（

a

） と

、 ガ

ン マ

線 （ 100 グ レ

イ ）

を 照

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ポ プ

ラ で

見 ら

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葉 の

常

b

c

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２

（

、

）
。

プ ラ

の

成 長

ガ ン マ

線 照

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成

長 が

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に

枯 れ

て し

6

に 及

態 異

図３
通常のポプラの細胞では長い DNA が核に小さく折りたたまれていることが分かります（上段）。ガン
マ線を照射した細胞では DNA が切断され短くなり、核の周囲に分散するようになります（中段、下段）。

図２ ポプラの成長に及ぼすガンマ線の影響
ガンマ線照射後 6 週目の様子。100
グレイで
図 ３は成長が遅くなり、200 グレイ以上では成長せずに枯れてしまいます。

ポ形

ぼ 通す 常ガ のン ポマ プ線 ラの の影 細響 胞

で

は

長 い

DNA

が 核

に

目 さの く様 折子 り。 た100たグ まレ れイ てで い る

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な

り 、 200 グ （レ 上イ 段以）。上 ガで ンは マ成 線長 をせ 照 射

し た

細 胞

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DNA

ま

い ま

周 囲

に 分

散 す

る

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す 。切 断

さ れ

短 く

な

り 、

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に な

り ま

す （

中

段 、

下 段 ）。

図４ ガンマ線照射終了後のポプラの遺伝子発現量の変化
各遺伝子の発現量は、ガンマ線を照射していないポプラ（0 グレイ）の遺伝子発現量を 1 とした時の相対量で示しています。ガンマ線照射により、遺伝子発現量が増加または減少することが分かります。
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図

４

ガ

ン

マ 線

照 射

終

了

後 の

ポ プ

ラ の

遺 伝

よ

森林総合研究所

第２期中期計画成果集

オゾン耐性遺伝子組換えポプラは耐乾燥性や耐塩性を保持することを明らかにしました
生物工学研究領域
研究コーディネータ

毛利 武、古川原聡
篠原健司

近年、温暖化などによる地球規模での環境破壊が懸念されています。世界の荒漠地（乾燥地や耕作放棄地など）の面積は年々増加し、陸地の約 30％に達しています。緑化による荒漠地の環境修復のために、高環境ストレス耐性を保持したスーパー樹木の開発が期待されています。本研究では、環境保全に貢献するスーパー樹木の開発を目指して、大気汚染で問題とされる高濃度のオゾンに耐性を示す遺伝子組換えポプラを作出しました。また、この組換えポプラが耐乾燥性や耐塩性などの他の環境ストレス耐性を保持することを明らかにしました。ここで開発した遺伝子組換え技術は、種々の環境ストレスに対応可能なスーパー樹木の開発に役立ちます。

研究の背景と目的
硫黄酸化物やオゾンによる大気汚染は深刻な社会問題となっており、一部の地域では森林衰退との関係も指摘されています。植物は気孔から大気汚染ガスを取り込み、解毒することができますが、大気汚染ガスの濃度が高い
場合には植物自身に傷害が生じ、落葉したり、枯死したりします。本研究では、遺伝子組換えによってポプラの
オゾン耐性を高めることを目的としました。また、得られた組換えポプラが、他の環境ストレスに対しても耐性を向上しているかを調べました。

を議論するためには、複数の環境ストレスに対する耐性を評価する必要があります。本研究では、オゾン耐性組換えポプラの乾燥ストレスと塩ストレスに対する応答を解析しました。
野生型ポプラへの水供給を停止し、乾燥ストレスを与えると、葉はしおれ始めてまもなく褐変化し、徐々に枯死に至りますが、組換えポプラではその進行が抑えられることが明らかになりました（図２）。また、根から大量の塩化ナトリウムを吸収させ高塩ストレスを与えた場合にも、同様に葉がしおれて褐変化しますが、やはり組換えポプラではこのような傷害が緩和されました（図３）。
どちらの環境ストレスも野生型ポプラにおいてエチレン
オゾン耐性遺伝子組換えポプラの作出
高濃度のオゾンによって引き起こされる葉の傷害はス 合成を誘導しましたが、オゾン耐性組換えポプラではエトレス誘導性のエチレン合成に起因していると考えられ チレン合成は抑制されました。
以上のことから、環境ストレスによる葉の傷害発生過ます。本研究では、エチレン合成酵素遺伝子の発現抑制によってエチレン合成を阻害した遺伝子組換えポプラを 程にエチレン合成が深く関与し、エチレン合成を抑制す作出しました（図１）。この組換えポプラはオゾン耐性 ることで環境ストレス耐性を付与することができると説を示し、高濃度オゾンの曝露によっても葉の傷害が生じ 明できます。また、エチレン合成を抑制するために適用ませんでした。反対に、エチレン合成を促進する組換え した遺伝子組換え技術は、オゾン耐性だけではなく、耐ポプラを作出したところ、こちらはオゾン感受性を示し、 乾燥性や耐塩性を高める方法としても有効であることが比較的低い濃度のオゾン暴露に対しても葉の傷害が観察 明らかになりました。本研究で作出した組換えポプラは、できました。これらの技術を応用することで、大気汚染 複合的なストレスが存在する環境にも対応できると考えに強い緑化木や大気汚染を感知する環境指標樹木の開発 られ、適用範囲の広いスーパー樹木の創出につながると期待できます。
が期待できます。
耐乾燥性と耐塩性の評価
特定の環境ストレスに対する耐性を向上させるために適用した遺伝子組換え技術は、他の環境ストレス耐性にも影響を及ぼす可能性があります。組換え樹木の有用性

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本研究は、森林総合研究所交付金プロジェクト「環境保全に貢献するスーパー樹木の創出に向けた基盤技術開発」の成果です。

FFPRI

0.2 ppm O3

0.6 ppm O3

図１ オゾン耐性遺伝子組換えポプラの作出
左列：野生型ポプラ。中央列：エチレン合成酵素遺伝子を過剰発現させた組換えポプラ。
右列：同じ遺伝子の発現を抑制した組換えポプラ。エチレン合成を抑制したポプラは
図１ オゾン耐性遺伝子組換えポプラの作製
強いオゾン耐性を、逆にエチレン合成を促進したポプラは、強い感受性を示します。

左列：野生型ポプラ。中央列：エチレン合成酵素遺伝子を過剰発現させた組換えポプラ。右列：同じ遺伝子の発現を抑制した組換えポプラ。エチレン合成を抑制したポプラは強いオゾン耐性を、逆にエチレン合成を促進したポプラは、強い感受性を示します。

野生型ポプラ野生型
ポプラ

組換えポプラ組換え
ポプラ

図３ 塩ストレスに対する応答
根から大量の塩化ナトリウムを吸収させた野生型ポ
プラは数日内に枯死します。エチレン合成を抑制し
図２ 乾燥ストレスに対する応答
図３ 塩ストレスに対する応答
た組換えポプラでは、この期間内に葉が枯れないだ
水の供給を停止すると、葉はしおれて間もなくけではなく、光合成活性も維持します。
褐変化が進み、下部の葉から枯れ落ちていきま
図２ 乾燥ストレスに対する応答
根から大量の塩化ナトリウムを吸収させた野生型ポプラは数日内に枯死しま
す。エチレン合成を抑制した組換えポプラでは、
このような褐変化と枯死が緩和されます。
す。エチレン合成を抑制した組換えポプラでは、この期間内に葉が枯れないだ
水の供給を停止すると、葉はしおれて間もなく褐変化が進み、けではなく、光合成活性も維持します。
下部の葉から枯れ落ちていきます。エチレン合成を抑制した組換えポプラでは、このような褐変化と枯死が緩和されます。

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森林総合研究所

第２期中期計画成果集

ポプラの成長を制御することに成功しました

生物工学研究領域
研究コーディネータ

伊ヶ崎知弘
篠原健司

樹木は、多年生で長期間にわたり成長し炭酸ガスを固定することができます。有用形質を持つ樹木の成長速度を変えることができれば、成長を早くしたものは地球温暖化対策として森林の衰退した地域での植林やバイオマス生産を目的とした植林に、成長を遅くしたものは、セダムや芝と同程度の育成条件での屋上緑化等の都市緑化に利用できます。樹木の成長の制
御には、成長の調節が起こるメカニズムを知る必要があります。そこで、モデル実験樹木として研究が進められているポプラから成長に関わる植物ホルモンの一つとして知られている
活性型ジベレリンの合成酵素遺伝子や代謝酵素遺伝子を単離しました。そして、遺伝子組換え技術を用いて代謝酵素遺伝子を制御することで、活性型ジベレリンを不活性型にしたり、活性型ジベレリンの前駆体を活性型に向かないように変化させたりすることが可能となり、ポプラの成長を抑制することに成功しました。

研究の背景と目的
植物の成長を主に制御している因子として、植物ホル
モンのジベレリンが知られています。そこで、私たちはポプラの成長に関しても、ジベレリンが大きく関与しているであろうと予測し、既知の植物の情報をもとに、ポプラからジベレリン合成酵素遺伝子や代謝酵素遺伝子を探しました。

が回復し、正常に種子を生産しました。

ジベレリン代謝酵素遺伝子を利用した成長抑制ポプラの作出
ジベレリン代謝酵素 PnGA2ox1 を大量に作るようにポプラを改変することで、ポプラの成長量を減少させることができるのではないかと考え、遺伝子組換え技術を用いて組換えポプラを作出しました。PnGA2ox1 を大量に作る組換えポプラは、成長量が約 40％に減少していまし樹木の成長を制御する遺伝子の単離と機能の解析、活性型のジベレリン A ３を与えると、成長
ポプラから、１５個の活性型ジベレリン合成酵素遺伝 たが（図２）子と１３個のジベレリン代謝酵素遺伝子を見つけました 量が回復しました。また、ジベレリン合成酵素遺伝子や（図１）。それらの遺伝子を系統学的に解析したところ、 代謝酵素遺伝子の発現量を測定したところ、合成酵素遺
合成酵素遺伝子も代謝酵素遺伝子もそれぞれ大きく３種 伝子の発現が顕著に増加しており、遺伝子組換えにより類のグループに分類されることが判明しました（図１）。 PnGA2ox1 の発現量が増加した影響を緩和していること
さらに、それぞれの遺伝子がポプラのどの器官や組織で が推測できました。今後、この成果を利用し、樹木を植働いているのか、またシロイヌナズナで働かせた場合に 栽する場所に適した成長量に制御する技術の研究開発を成長にどのような影響を及ぼすのかを調べました。その 進めます。
結果、多くの遺伝子はそれぞれが器官や組織特異的に発
本研究は、独立行政法人森林総合研究所交付金プロジ
現していること、それぞれの代謝酵素を大量に作るように組換えたシロイヌナズナは顕著に成長が抑制されるこ ェクト「環境保全に貢献するスーパー樹木の創出に向けとがわかりました。しかし、これらの組換えシロイヌナ た基盤技術開発」による成果です。
ズナは外から活性型のジベレリン A ３を与えると成長量
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FFPRI

図１ ポプラのジベレリン合成酵素遺伝子及び代謝酵素遺伝子の系統学的解析
シロイヌナズナ、タバコ及びエンドウの遺伝子とポプラから単離した遺伝子 ( 赤文字 ) を比較しました。赤系の枠内及び青系の枠内の遺伝子は、それぞれ、ジベレリン合成酵素及び代謝酵素遺伝子を示します。

図２ ジベレリン代謝酵素遺伝子を用いた
ポプラの成長制御

PnGA2ox1 を大量に発現する組換えポプラ（写真右）と野生型ポプラ（写真左）。組換
えポプラでは葉も小さい（下段写真）。

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森林総合研究所

第２期中期計画成果集

ポプラの着花を制御することに成功しました

生物工学研究領域

伊ヶ崎知弘、西口 満

樹木は、種を播いてから初めて開花・結実するまでに数年から数十年の長い時間を必要とし、効率的に育種することが困難です。また、一度着花するようになると、毎年大量の花をつけ、スギのように花粉症を引き起こす樹種もあります。樹木の育種年限の短縮や花粉発生の抑制には、樹木の花芽形成（花成）が起こるメカニズムを知る必要があります。そこで、モデル実験樹木のポプラから花成を誘導する役割を持つ遺伝子や抑制する役割を持つ遺伝子を単離し、遺伝子組換え技術を用いてそれらの遺伝子を制御することで、ポプラの花成を自在に制御することに成功しました。この結果は、商業植林を視野に入れた遺伝子組換え樹木の実用化に役立ちます。

研究の背景と目的
シロイヌナズナというモデル実験植物では、花成制御メカニズムの解明が進んでいます。そこで、私たちはポプラにも同様の花成制御メカニズムが存在すると仮定のもと、シロイヌナズナの花成を抑制する TFL1 と花成を促進する FT という構造のよく似た２つの遺伝子に着目し、これらの遺伝子とよく似た構造を持つポプラの遺伝
子を探しました。
樹木の花成を制御する遺伝子の単離と機能の解析
ポプラから TFL1 や FT とよく似た構造を持つ９つの遺伝子を見つけ、系統学的に解析したところ、２つの遺伝
子は TFL1 と同じ遺伝子グループに分類され、また５つの遺伝子は FT と同じ遺伝子グループに分類されることが明らかになりました（図１）。さらに、それぞれの遺伝
子がポプラのどの器官や組織で働いているのか、シロイ
ヌナズナで働かせた場合に花成にどのような影響を及ぼすのかを調べました。その結果、PnTFL1 と命名した遺伝子は、ポプラの頂芽や花芽にならない位置の側芽で発現していること（図２）、PnTFL1 を大量に作るように組換えたシロイヌナズナは顕著に花成が抑制されることがわかりました。一方、PnFT1 及び PnFT2 と命名した遺伝子は、花が咲く年齢に達したポプラの花成が起こる時期の葉で強く発現しているが、花が咲く年齢に達してい20ない同じ時期の葉ではあまり発現していないこと（図２）、
PnFT1 や PnFT2 を大量に作るように組換えたシロイヌ
ナズナは顕著に花成が促進されることもわかりました。
花成制御遺伝子を利用した早期開花ポプラの作出
花成抑制遺伝子 PnTFL1 を働かなくしたり、花成促進遺伝子 PnFT1 や PnFT2 を大量に作るようにポプラを改変したりすることで、ポプラの開花までの期間を短縮できるのではないかと考え、遺伝子組換え技術を用いて組換えポプラを作出しました。PnTFL1 の働きを抑制した
ポプラは、鉢出し後または挿し木後１ヶ月～５ヶ月程度で開花しました（図３）。また、PnFT1 を大量に作る組換えポプラも植物ホルモンのジベレリンの合成を阻害す
る薬剤で処理すると、２ヶ月程度で開花しました（図４）。
今後、この成果を利用し、スギをはじめとする樹木の育種の効率化や花粉発生の抑制、生態系での遺伝子攪乱の防止等を目的とした研究を進めます。
本研究は、独立行政法人農業・食品産業技術総合研究
機構生物系特定産業技術研究支援センター基礎研究推進
事業「果樹等における花成制御技術の開発」による成果です。
詳しくはIgasaki et al. (2008) Plant and Cell Physiology
49: 291-300 をご覧下さい。

FFPRI

図３ 花成抑制遺伝子 PnTFL1 の発現を抑制した組換えポプラの開花

図１ 花成制御遺伝子 TFL1 及び FT とよく似た構造を持つポプラの遺伝子の系統学的解析
シロイヌナズナ、トマト、リンゴ、カンキツ及びブドウの遺伝子とポプラから単離した遺伝子 ( 赤文字 ) を比較しました。青矢頭はポプラの花成に関与していることが示唆された遺伝子を示します。
赤枠内及び緑枠内の遺伝子は、それぞれ、FT グループ遺伝子及び TFL1 グループ遺伝子を示します。

図４ 花成促進遺伝子 PnFT1 を過剰に発現する組換えポプラの開花（薬剤処理との併用で開花を促進させました）

図２ 花成時期のポプラにおける PnTFL1 、PnFT1 及び PnFT2 の発現部位の模式図
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第２期中期計画成果集

スギ花成制御遺伝子の単離と機能解析に成功しました
生物工学研究領域
研究コーディネータ

二村典宏、片畑伸一郎
篠原健司

近年、わが国ではスギ花粉症患者が急増し、深刻な社会問題となっています。スギ花粉症対策の一つとして、スギの雄花形成に関係する遺伝子の働きを制御した遺伝子組換えスギの開発が進められています。スギの花粉発生を抑制する遺伝子組換え技術を開発するためには、どのような仕組みでスギの花が形成されるのかを理解する必要があります。
本研究では、スギの花芽形成（以後、花成と略します）に関連する遺伝子群を単離し、それらの遺伝子の役割について調べました。その結果、スギの花成を制御している 2 つの遺伝子を特定することができました。本研究で得られた成果は、スギ雄花形成の制御による花粉発生抑制技術の開発に役立つと考えられます。
研究の背景と目的
スギ花粉症は 1964 年に日光市で初めて報告され、現在では国民の 25％以上が発症しているとも言われています。花粉発生源を減少させる取り組みとして、雄性不稔
スギ（無花粉スギ）の育種や、スギ雄花形成を抑制する
遺伝子組換え技術の開発が進められています。こうした取り組みをさらに進展させるためには、スギの花成メカ
ニズムを明らかにする必要があります。
本研究では、花成に関連する遺伝子群を単離し、それらの遺伝子の役割について調べました。

スギの花成に関わる遺伝子の特徴
次に、この 2 種類の遺伝子がスギのどの器官で働いているのかを調べました（図３）。CjSOC1 遺伝子は花粉以外の全ての器官で発現している一方、CjAP1 /SEP 遺伝子
は主に花で発現していることが分かりました。さらに、スギの花成とこの 2 種類の遺伝子の発現時期の関係について調べました。スギは通常、種を播いてから開花するまで 10 年〜 20 年程度かかるといわれていますが、ジベ
レリンという植物ホルモンを散布すると苗木でも開花させることができます。6 年生のスギ苗木にジベレリンによる花成誘導をおこない、その後の遺伝子発現の経時変
スギの花成に関わる候補遺伝子の単離化を調べた結果、CjSOC1 遺伝子の発現はジベレリン処
モデル実験植物であるシロイヌナズナ等では、花成メ 理後 1 週間で上昇するのに対し、CjAP1 /SEP 遺伝子の発カニズムの解明が進んでいます。とりわけ、MADS-box 現はさらに１ヶ月後の雄花が肉眼で観察される頃に上昇遺伝子と呼ばれるグループは、花成をはじめとする様々 していました。以上の結果から、CjSOC1 遺伝子は花芽な発達過程に関わる遺伝子として知られています。一 分化の初期に働く遺伝子、CjAP1 /SEP 遺伝子は CjSOC1
方、スギなどの裸子植物では花成に関わる遺伝子の存在 遺伝子の後で花芽分化や花の形態形成に関わる遺伝子でやその役割についてほとんど分かっていません。そこで、 あると考えられます。
10,463 種類のスギ雄花完全長 cDNA から MADS-box 遺遺伝子組換え技術を用いてスギの花粉発生を抑制する
伝子とよく似た構造を持つ遺伝子を探索しました。その 方法の一つは、スギの花成に関わる遺伝子の働きを抑え
結果、12 個のスギ MADS-box 遺伝子を単離することが ることにより開花を制御することです。花粉が飛散しなできました。
ければ、組換え技術により導入した遺伝子の拡散も抑え
単離したスギ MADS-box 遺伝子が花成制御に関わる られます。スギの花成に関わる遺伝子の発見は、このよかを短期間で検証するため、これらのスギ遺伝子を過剰 うな遺伝子組換えスギの開発にもつながります。
発現させた遺伝子組換えシロイヌナズナを作出しました。
その結果、シロイヌナズナの花成を促進させる２種類の本研究は、林野庁事業「遺伝子組換えによる花粉発生
スギ遺伝子を明らかにしました（図１）。系統解析とい 制御技術の開発事業」による成果です。
う手法によりこれらの遺伝子を分類したところ、一つは成果の一部は Futamura et al. (2008) BMC Genomics
SOC1 のグループに属する遺伝子、もう一つは AP1 /SEP 9: 383 をご覧下さい。
のグループに属する遺伝子であったことから、それぞれ
CjSOC1 遺伝子と CjAP1 /SEP 遺伝子と名付けました（図２）。
22FFPRI

図１ スギ MADS-box 遺伝子を過剰に発現させたシロイヌナズナの開花
野生型では花芽形成が始まっていない時期（播種２０日後）に、組換え体では開花しています。

図３ CjSOC1 遺伝子と CjAP1 /SEP1 遺伝子の各器官での遺伝子発現特性
CjSOC1 遺伝子は花粉以外の全ての器官で発現しています。一方、CjAP1 /SEP1 遺伝子は針葉でもわずかに発現していますが、花での発現量が多いことが分かりました。

図２ CjAP1 /SEP1 遺伝子と CjSOC1 遺伝子によく似た構造を持つ MADS-box 遺伝子の系統解析
スギから単離した MADS-box 遺伝子（赤文字）を類似の遺伝子と比較しました。黄枠内及び青枠内の遺伝子は、
AP1 /SEP1 遺伝子グループ及び SOC1 遺伝子グループを
示します。
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森林総合研究所

第２期中期計画成果集

きのこの子実体形成に関連する遺伝子を特定しました

きのこ・微生物研究領域

宮崎安将

我が国のきのこの生産額は林業総生産額の過半を占めるまでになっていますが、さらなる消費の拡大につながる新品種の開発が求められています。きのこの品種開発では、子実体形成に関わる遺伝子や、そのメカニズムに対する情報が必要となります。そこで、シイタケを中心に、子実体形成の誘導、分化に必要な光刺激の受容や応答に関わる遺伝子や、子実体の姿勢制御に関わる重力応答性遺伝子、菌糸を束ねて子実体を形作る遺伝子などを特定しました。本成果は、きのこの子実体形成を自在にコントロールし、形などがより市場に好まれるきのこを作出する品種開発の現場で役立ちます。

研究の背景と目的
きのこ生産額は林業総生産額の過半を占めるまでになっていますが、さらなる消費の拡大に向けて新品種の開発が求められています。効率的な品種開発を行う上で、きのこの栽培特性に関わる科学的な知見の収集と活用は重要です。このため、子実体形成に関連する遺伝子やメカニズムの解明を行いました。

の細胞接着に関わる遺伝子に類似した遺伝子（Le.flp1 ）を発見しました。原基及び子実体全体でその発現が見られたことなどから、本遺伝子は子実体の形づくりに必要な菌糸の接着に働くことが考えられました。

重力に応答する遺伝子
きのこは、傘が地面と水平に開く様に子実体を形成します。これは、きのこの重力応答と考えられます。きのこの重力応答を調べるために、3 次元的に回転して疑似シイタケの光受容体遺伝子と光応答性遺伝子
きのこの菌糸の伸長には、光は必要ではありませんが、 無重力を再現する装置を用いてヒラタケを栽培したとこ
きのこの生殖器官である子実体の誘導や形成には青系の ろ、通常よりも柄が短く、傘が平たい子実体が得られま。本疑似無重力条件下では、チューブリン、光が必要です。
そこで、シイタケにおいて光を感じとる「き した（図２）のこの目」となる分子である光受容体の遺伝子 (phrA と タンパク質分解酵素などの遺伝子の発現量が増加し、ヒphrB ) を特定しました。また、光条件に応答して働く遺 ストン、レクチン、グリコーゲン合成酵素などの遺伝子
伝子（光応答性遺伝子）として、原基形成期に遺伝子の は減少するなど、遺伝子が重力に応答して挙動を変える
発現を制御する遺伝子（Le.cdc5 、priB ）などを特定しま ことを発見しました。
した。
さらに、
光と子実体形成の関わりを示すものとして、きのこの品種開発では、栽培特性、とりわけ、子実体
光応答性遺伝子 Le.cdc5 と相互作用があるとして単離し 形成に関わる科学的な知見が重要です。本成果は、きのた遺伝子（cipA 、cipB ）が光応答性遺伝子 Le.cdc5 と協 この子実体形成を自在にコントロールし、形などがより調して働くことで、これら遺伝子の標的遺伝子（ctg1 ） 市場に好まれるきのこを作出する品種開発の現場で役立を直接制御し、子実体形成に働いていることが分かりま つと考えます。
した。図１は、これら遺伝子の相互の関わりを表してい
本研究は、科研費・若手研究Ｂ「きのこの子実体形成ます。
の分子機構の解析」及び実行課題「きのこ類の生理生態学的解明」で行いました。
子実体を形作る遺伝子
詳しくは Miyazaki et al. (2010)FEMS Microbiol Lett 307:
子実体は菌糸の集合体ですが、培養菌糸と異なり、菌糸は互いに密着し容易に剥がすことができません。シイ 72-79 及 び Miyazaki et al. (2007)Curr Genet 51: 367-375
タケの子実体形成期に特異的に働く遺伝子として、植物 をご覧下さい。
24

FFPRI

光(主に青色光)
Le.FLP1(細胞接着因子)

PHRA( 光 受 容体)

26Sプロテアソーム

カタラーゼ(細胞内タンパク質寿命決定・
アミノ酸リサイクル因子)(細胞内毒性無効化酵素)

H2O + O2

H2O2
PHRA

Le.CDC5PRIB( 光 受 容
体)

PHRB

(光応答因
子)

(遺伝子発
現制御因
子)

チロシナーゼ(褐変化)遺伝子活性化！

図１

タンパク質

(遺伝子発
現 制御 因
子)

アミノ酸

CIPA

(遺伝子発
現 制 御 因CIPB 子)
(遺伝子発
現 制御因
子)

細胞核

染色体DNA

光応答遺伝子mfbC, ctg1活性化！

光の受容と応答に関わるシイタケの遺伝子

図１ 光の受容と応答に関わるシイタケの遺伝子（疑似無重力環境発生装置）
図２

対照区

微少重力（疑似無重力）環境で栽培したヒラタケの子実体

図２ 微少重力（疑似無重力）環境で栽培したヒラタケの子実体

25

森林総合研究所

第２期中期計画成果集

白色腐朽菌のリグニン生分解は菌糸先端でおきることを明らかにしました
きのこ・微生物研究領域 微生物工学研究室

髙野麻理子、中村雅哉、山口宗義

木材からの紙パルプ・バイオエタノール製造では、リグニンの分解に大量のエネルギーと薬品が必要です。環境に優しいリグニン分解法の要望は高く、酵素等を用いる温和なリグニ
ン分解が注目されています。このため、パルプ漂白能力の高い白色腐朽菌 (Phanerochaete
crassa WD1694 菌 ) のリグニン分解系を調べました。本菌では、リグニン分解酵素マンガン
ペルオキシダーゼと過酸化水素の生産酵素グリオキサールオキシダーゼの両酵素が必要であり、両酵素の分泌が重なる菌糸の先端で集中的に分解反応が生じることが分かりました。本
成果は、環境に優しい紙パルプ・バイオエタノールの製造法の開発等で役立つと考えます。

研究の背景と目的
木材からの紙パルプ・バイオエタノール製造では、リグニンの分解に大量のエネルギーと薬品が必要です。環
境意識の高まりの中で、環境への負担が高い大量の化石燃料の消費やリグニン分解過程で生じる化学廃液が問題視されています。一方、自然界では、白色腐朽菌が酵素反応による温和な反応条件で木材のリグニンを分解します。この能力を解明し利用できれば、環境に優しいリグ
ニン分解法の開発に役立ちます。そこで、白色腐朽菌のリグニン分解について調べました。

で、本菌のリグニン分解反応が菌体の周辺のどこ部分で生じているか調べました。反応する部分の特定は、マン
ガンペルオキシダーゼが基質となるテトラメチルベンチ
ジンを酸化して不溶性の青色着色を生じさせる活性染色
方法を用いました。その結果 ､ 菌糸の先端や菌糸に沿った部分が染まり、菌体の内部や菌体から離れたところは染まりませんでした（図２）。この結果は、リグニン分解
反応が菌糸先端の周りで起きていることを示しています。
また、顕微分光法で、菌糸先端の青色の濃さを測定し、酵素反応量に換算すると、菌糸先端のリグニン分解反応は非常に強いことがわかりました（図３）。

リグニン分解酵素を探す
パルプ漂白能力の高い白色腐朽菌 (Phanerochaete
crassa WD1694 菌 ) のリグニンを分解する酵素として、マンガンペルオキシダーゼが見つかりました。しかし、リグニンとマンガンペルオキシダーゼを混ぜただけでは分解は生じませんでした。マンガンペルオキシダーゼは反応のために過酸化水素を必要とします。そこで、過酸化水素を生産する酵素を探した結果、グリオキサールオ
キシダーゼが見つかりました ( 図１)。これらの酵素を精製し、性質を分析したところ、どちらの酵素も数種類あり、
マンガンペルオキシダーゼは 2,6- ジメトキシフェノール
やマンガンイオンなど、グリオキサールオキシダーゼはメチルグリオキサール、グルコース、メタノールなどを酸化する能力があることがわかりました。

白色腐朽菌は菌糸先端で過酸化水素を生産する
リグニン分解が菌糸先端に集中する原因を酵素分布から調べました。リグニン分解酵素マンガンペルオキシダーゼは菌体の周囲に広く分泌されていましたが、過酸化水素を生産するグリオキサールオキシダーゼは菌糸先端にありました。そのため、過酸化水素が菌糸先端でのみ生産されてリグニン分解ペルオキシダーゼ反応も菌糸先端で生じることがわかりました（図４）。
本研究の結果より、白色腐朽菌は菌糸先端という微少領域に集中して効率の良いリグニン分解反応を進めることがわかりました。今後、菌糸先端のリグニン分解条件
をより詳しく調べることで、環境に優しいリグニン分解法の開発に役立つと考えています。

リグニン分解反応は菌糸先端で起こっている
白色腐朽菌は菌体の外側に酵素を分泌してリグニンを分解することは知られていましたが、具体的にどこでどのように分解されるかはわかっていませんでした。そこ

本研究は、実行課題「木材分解微生物の糖質及びリグ
ニンの分解機構の解明」で行いました。
詳しくは Takano et al. (2010) J Wood Sci 56: 307-313
をご覧下さい。

26

FFPRI

pI
6.55

5.85

グリオキサールオキシダーゼ

5.20
4.55

マンガンペルオキシダーゼ

1 2
図 2．菌体のペルオキシダーゼ活性染色
図１. 電気泳動によって分離した
図2．菌体のペルオキシダーゼ活性染色
図１. 電気泳動によって分離したリグニン分解関連酵素
１）菌糸先端がペルオキシダーゼ活性染色で青く染まった。
リグニン分解関連酵素
１，等電点(pI)マーカー；
２，WD1694が生産する酵素
１）菌糸先端がペルオキシダーゼ活性染色で青く染まった。
２）菌糸内部、菌糸から離れたところは染まらなかった。
１，等電点 (pI) マーカー；２）菌糸内部、菌糸から離れたところは染まらなかった。
２，WD1694 が生産する酵素ab

100 µm（検量曲線）

図 3. 顕微分光法によるペルオキダーゼ活性の測定
１）ペルオキシダーゼ活性染色によって、菌糸先端が青く染まる（矢印部）
図3. 顕微分光法によるペルオキダーゼ活性の測定
２）スポットの吸光度（色の濃度）を顕微分光で測定する。（a, 1.35;  b, 0.02)
１）ペルオキシダーゼ活性染色によって、菌糸先端が青く染まる（矢印部）
３）検量曲線から反応量を算定する。
２）スポットの吸光度（色の濃度）を顕微分光で測定する。（a, 1.35; b, 0.02)
３）検量曲線から反応量を算定する。

①②
マンガンペルオ
キシダーゼ③
マンガンペルオ
キシダーゼ

過酸化水素
を作る酵素

マンガンペルオキ
シダーゼが菌糸の外に分泌される。

次に過酸化水素を作る酵素が菌糸の先端に分泌される。

マンガンペルオ
キシダーゼ

ペルオキシ
ダーゼ染色

マンガンペルオキ
シダーゼと過酸化
水素によって、菌糸先端が青く染まる。

図 4．菌糸先端でリグニン分解酵素が反応する様子
図4．菌糸先端でリグニン分解酵素が反応する様子
27

森林総合研究所

第２期中期計画成果集

ウラスギとオモテスギの地域分化を示す遺伝子を発見しました
森林遺伝研究領域
国際農林水産業研究センター
東京大学
総合研究大学院大学
林野庁

津村義彦、伊原徳子
谷 尚樹
岩田洋佳
角 友之
高橋友和

スギは我が国の固有種で、その天然林は北は青森県の鯵ヶ沢から南は鹿児島県屋久島まで
降水量の多い地域に分布しています。現在の天然分布は長い歴史の中で様々な気候変動や環境の影響を受けて形成されたものです。スギは針葉や枝の形質から二つの変種に分けられ、多雪地帯の日本海側に分布するものをウラスギ、雪の少ない太平洋側に分布するものをオモテスギと呼んでいます。これらは遺伝的に分化していることがわかっているため、その原因遺伝子の探索を行ったところ、関連のある遺伝子が見つかりました。

研究の背景と目的
スギは我が国の固有種で、その天然林は北は青森県の鯵ヶ沢から南は鹿児島県屋久島まで降水量の多い地域に分布しています。現在の天然分布は長い歴史の中で様々な気候変動や環境の影響を受けて形成されたものです。
現在では伐採や開発の進行により、天然林は全国的にわ
ずかな面積しか残っていません。しかし、世界遺産に指定された屋久島には例外的に大面積のスギ天然林が残されています。また、スギは針葉や枝の形質から二つの変種に分けられ、多雪地帯の日本海側に分布するものをウ
ラスギ、雪の少ない太平洋側に分布するものをオモテス
ギと呼んでいます。太平洋側の天然スギの分布は伊豆半島周辺や紀伊半島、四国、屋久島などに限られ、天然林の多くは日本海側に分布しています。
このようなスギを人工的に育林する場合にも、将来の資源として保全する場合にも、地域の環境に適した遺伝子を保有していることが重要です。そのため、地域環境への適応に関係する遺伝子の探索を目的として、研究を行いました。

なります。
この 5％の違いを生み出している遺伝子の塩基配列を丹念に調べていくと、調査した 148 個のうち 5 つの遺伝子が淘汰に関わっている遺伝子である可能性がでてきました。さらに、その中にはオモテスギとウラスギの遺伝的分化に大きく関与していると考えられる二つの候補遺
伝子が見つかりました。日本海側と太平洋側の環境の違いにより自然淘汰を受けた結果、これらの遺伝子に違いが生じた可能性が考えられます。植物は様々な環境に適応するために、遺伝子は長い年月をかけて変化していきます。現段階ではこれらの遺伝子の機能は分かっていま
せんが、検出された対立遺伝子の有無がその環境で生き残るための重要な指標となることは確かです。樹木で異なる環境への適応性に関連した遺伝子の発見は、世界的に見てもポプラの開葉期に関連する遺伝子など、まだわ
ずかな報告があるだけです。
適応的遺伝子の活用
今後、環境適応性に関連するさらに多くの遺伝子を検出することにより、それを指標として、それぞれの地域
環境に適応した対立遺伝子を保有するスギの苗を効率的に生産し、周囲の生態系にあった生長のよい植林を行うことが可能になります。また、森林の保全や遺伝資源の保全のための重要な指標としての活用も期待されます。

スギ天然林の遺伝的な違い
スギ天然林の北限の鯵ヶ沢から南限の屋久島にかけての 29 箇所の森林を選定し、これらのスギ天然林集団がもつ 148 個の遺伝子について DNA の塩基配列の違いを解析したところ、地域間のスギ天然林の遺伝的な違いは
本研究は、森林総研一般研究費「主要樹種の遺伝構造
わずかに 5％程度でした。つまり、スギの持っている遺伝的多様性の 95% はどの天然林内にも共通して含まれ 及び適応的遺伝子の解明」による成果です。
詳しくは Tsumura et al. (2007) Genetics 176: 2393ているということです。しかし、スギの遺伝的分化では、
このわずか 5％の遺伝的な違いが重要で、この中にそれ 2403 をご覧下さい。
ぞれの地域環境に適応した遺伝子が含まれていることに
28

FFPRI

図 1 スギ天然林の分布（林 1960）。
最終氷期（約１万８千年前）のスギの逃避地（若狭湾、伊豆半島、屋久島などの網掛け部分）及び今回調査した 29 集団を示します。写真はウラスギとオモテスギの針葉形態です。

図２ 淘汰を受けている遺伝子の検出。
99％信頼区間の上にある 5 つの遺伝子（赤い矢印）が淘汰を受けた候補遺伝子です。
ウラスギとオモテスギを分ける候補遺伝子はこのうちの 2 つの遺伝子（赤丸印）です。
29

森林総合研究所

第２期中期計画成果集

貴重なヒノキ天然林の遺伝的特徴を明らかにしました

森林遺伝研究領域
元筑波大学

松本麻子、津村義彦、谷 尚樹（現在国際農林水産業研究センター）
内田煌二

有用針葉樹であるヒノキの天然林は、近年になって保護されるようになるまでに過度の開発と伐採が繰り返され、わずかに残存する林はたいへん貴重なものになってしまいました。
この研究では、地域環境に適した育林と資源保全の指標となる遺伝子の情報を得るため、それぞれの天然林について DNA 分析を行いました。天然分布の南端と北端の天然林はユニー
クな遺伝的特徴を保持し、分布が比較的集中している中部山岳地の天然林は遺伝的多様性が高いことが明らかになりました。また、１個の適応的遺伝子の候補が検出されました。

研究の背景と目的
現在ではわずかに残存する状態となったヒノキ天然林
ですが、それぞれの地域環境に適応した遺伝子を研究するための貴重な財産です。人工的な育林の場合にも、資源として保全する場合にも、地域の環境に適した遺伝子の保有が重要です。このような適応遺伝子の探索と地理的分化の解明を目的として、研究を行いました。
遺伝的多様性の特徴
マイクロサテライトマーカー 13 座を用いて、ヒノキ
天然林の分布域（北限の福島県いわきから南限の鹿児
島県屋久島まで）から選んだ 25 ヶ所の天然林の解析を行いました（図１）。マイクロサテライトマーカーは核
DNA に存在する多様性に富む DNA マーカーとして、遺伝的な情報の把握に役立つことが期待されるマーカーです。解析の結果、各々の天然林の間の遺伝的な違い（遺伝的分化）は小さく、ヒノキ天然林の全体からみて 4.0% と低いものでした。各々の天然林が遺伝的にどの程度
多様性に富んでいるかを調査したところ、分布域の北限のいわきや南限に近い小林で多様性が低下していることが分かりました。この結果は、天然林の分断化や過開発が影響していると考えられます。一方、天然林が広く残っている中部地方では、遺伝的多様性も高い状態で保持されていました。
南北で異なる遺伝要素と適応的な遺伝子候補の検出
ヒノキ天然林は集団間の遺伝的分化の程度は低かった
ものの、遺伝的特徴が南北で異なることが明らかになり30ました（図 2）
。ヒノキ天然林は 4 タイプの遺伝要素から成り立っていて、北限のいわき天然林や南限の屋久島
天然林は、他の天然林と全く異なるユニークな遺伝的特徴を示しました。それ以外の天然林は、複数タイプの遺伝要素が混合しており、割合が徐々に変化しました。また、
マイクロサテライトマーカーの Cos2619 遺伝子座は、天然林ごとの対立遺伝子頻度が、自然選択に対して中立な状態から予想される以上に大きく異なっており、適応的な遺伝子の候補になり得ると考えられます。
資源の保全に向けてこれらの研究結果から、分布域の端及び端に近い天然林は、遺伝的多様性が低下していること、他の地域の天然林と遺伝要素がかなり異なることなどから、今以上に個体数が減少しないように保全する必要があることが分かりました。また、個体数が多く多様性が保持されている中部の天然林も、多様な遺伝資源を確保する上で保全の意義が高いと言えます。本研究で得られた適応的遺伝子の検出を端緒として、ヒノキの適応的遺伝子の情報を増やすことにより、各地域の環境適応に関係する対立遺伝子を具体的に指定できるようになると期待されます。
本研究は、科学研究費補助金「希少な森林となっている主要針葉樹天然林の保全遺伝学的研究」による成果です。
詳しくはMatsumoto et al. (2010) Journal of Plant Research
123: 689-699 をご覧下さい。

FFPRI

ヒノキの天然林はごく限られた面積となって各地に散在しています。天然分布の範囲を網羅するように、北限のいわきから南限の屋久島まで 25 カ所の天然林を解析しました。

25 カ所の天然林の間の遺伝的関係を推定するために、遺伝要素というものを考えます。実際の天然林はい
くつかの遺伝要素が混じり合った状態と考えられ、混じり合いの状態が似ていればそれらの天然林は遺伝的に似ており、混じり合いの状態が似ていなければそれらの天然林は遺伝的な関係が希薄であると考えられます。例えば、北限のいわき (1) は遺伝要素１で占められ、遺伝要素３に割合が多い矢板 (2) 以南の天然林とはかなり異なっています。また、南限の屋久島 (25) は遺伝要素４で占められ、すぐ北にある小林 (24)とは３分の１くらい似ていますが、英彦山 (23) 以北とは全く似ていません。また中間的な位置にある天然林は遺伝要素２と３に割合が徐々に変化し、遠く離れるほど違いが大きくなることがわかります。

31

森林総合研究所

第２期中期計画成果集

トウヒ属樹種の地理的遺伝構造を明らかにしました

森林植生研究領域
宇都宮大学（森林総研客員研究員）
森林遺伝研究領域

勝木俊雄
逢沢峰昭
吉丸博志

トウヒ属（Picea ）樹種は、亜寒帯針葉樹林の主要な構成樹種で、日本には６種が分布しています。このうち、エゾマツとトウヒ及びヤツガタケトウヒについて、近縁種との関係を含めた各地域集団の遺伝的位置付けに基づく適切な保全策を検討するため、地理的遺伝構造の実態を解析しました。その結果、エゾマツとトウヒは従来考えられていたよりもかなり遠い関係にあることが明らかになりました。また、ヤツガタケトウヒは八ヶ岳と南アルプスで遺伝的に分化し、八ヶ岳では集団内の遺伝的多様性が非常に低いことが分かりました。

研究の背景と目的
エゾマツ、トウヒ、チョウセントウヒを合わせたエゾ
マツ変種群は、日本・ロシア・中国・朝鮮半島などの日
本海周辺地域に分布し、国内では北海道全域にエゾマツ
が、本州の中部山岳と紀伊半島にトウヒが自生しています。トウヒは最終氷期には東北地方にも連続的に分布していたものと考えられていますが、現在の分布は非常に限られています。また、ヤツガタケトウヒは絶滅危惧 IB類に指定され、本州中部の八ヶ岳と南アルプスにのみ自生しています。南アルプスの集団はヒメマツハダという別種とされ、八ヶ岳ではヤツガタケトウヒと混在すると言われていました。
これらの絶滅危惧種および分布の縮小した集団について、近縁種間の関係および各地域集団の遺伝的位置付けに基づく保全策を検討するため、DNA 分析による地理的
遺伝構造の解析を行いました。

また、中部山岳と紀伊半島もそれぞれ独立の保全単位と考えることが必要です。

エゾマツとトウヒの遺伝的関係
エゾマツ変種群については、北海道のエゾマツはサハ
リンやロシア大陸部と、一方本州のトウヒは朝鮮半島との繋がりが強く、遺伝的な由来が互いに非常に異なるという想定外の関係が判明しました（図１）。また、紀伊半島のトウヒは遺伝的多様性が非常に低いことも明らかとなりました。
したがって、従来のようにトウヒは単に分布地が異なるだけのエゾマツと考えることは適切ではありません。

本研究は、森林総研一般研究費「主要樹種の遺伝構造及び適応的遺伝子の解明」「希少及び隔離分布種の遺伝的多様性と遺伝的分化機構の解明」および科学研究費補助金「北東アジアにおける寒温帯性針葉樹種の系統地理学的研究」による成果です。
詳しくは Aizawa et al. (2007) Molecular Ecology 16: 33933405、Aizawa et al. (2009) Journal of Biogeography 36: 9961007、Katsuki et al. (2010) Journal of Forest Research, Online
First をご覧下さい。

32

ヤツガタケトウヒの地理的遺伝構造
ヤツガタケトウヒとヒメマツハダといった遺伝的に独立した２種は検出されず、ヤツガタケトウヒという１つの樹種と考えるべきだと結論されました。八ヶ岳地域の集団の多くは集団内の遺伝的多様性が非常に低く、また南アルプス地域の集団とは遺伝的にもかなり分化していることが明らかとなりました（図２）。大径木が多いため従来から保護林に指定されてきた八ヶ岳の１林分が、意外にも、保有する遺伝的多様性がかなり低いことも判明しました。
今回の解析結果に基づき、南アルプス地域の重要性が明らかとなり、八ヶ岳で１箇所、南アルプスで４カ所の保護林が新たに設定され、保全体制が強化されました。

FFPRI

図１ エゾマツとトウヒを含むエゾマツ変種群の遺伝的な関係（ミトコンドリア DNA の
遺伝マーカーによる解析）
A) 各地域の集団におけるミト
コンドリア DNA の型、B) ミト
コンドリア DNA 型の間の関係。
北海道のエゾマツのタイプ I や
II はロシアのタイプ III と近く、
本州のトウヒのタイプ VI や VIIは朝鮮半島のタイプ V などに近く、北海道のエゾマツと本州のトウヒは非常に遠い関係にあることがわかります。

図２

ヤツガタケトウヒ集団における遺伝要素の割合（核 DNA の遺伝マーカーによる解析）

調査した 9 カ所の集団の間の遺伝的関係を推定するために、遺伝要素というものを考えます。それにより、まず「八ヶ岳の３集団」と「八ヶ岳１集団＋南アルプス４集団」に大別されました。次に、前者の３集団は互いにかなり異なる集団であることがわかりました。後者
では、千枚岩や天主岩、豊口山の集団は他とかなり異なり、他の３集団は互いに似通っている関係にあることが明らかになりました。
33

森林総合研究所

第２期中期計画成果集

希少樹種ユビソヤナギの遺伝構造と遺伝的多様性を明らかにしました

森林遺伝研究領域
森林植生研究領域

菊地 賢
鈴木和次郎

ユビソヤナギは河川上流で河畔林を構成する希少樹種ですが、生育可能な自然度の高い河川環境は近年の開発により減少の一途にあります。本研究では、DNA 分析を通して、開発等によるユビソヤナギの生育地の縮小・分断化が種子や花粉の移動の妨げとなり、将来的にユ
ビソヤナギの遺伝的多様性の維持や、実生の更新に悪影響を及ぼす可能性を明らかにしました。こうした成果は、今後のユビソヤナギの保全や渓畔林の健全な育成にとって重要な情報となります。

研究の背景と目的
ユビソヤナギは、関東から東北地方にかけての多雪地域に分布し、河川上流で河畔林を構成する希少樹種です。
非常に限られた地域にのみ分布し、個体数が少ないため、
環境省レッドリストで絶滅危惧 II 類に指定されています。
近年、ユビソヤナギの生育する自然度の高い河川環境は、開発等により減少の一途にあり、その自生地は縮小・分断化されています。このような自生地に生育する集団は、花粉や種子を通した遺伝的多様性の補給を受けられなくなり、遺伝的多様性が減少し、近交弱勢などにより衰退に向かう恐れがあります。
そこで、各自生地における花粉や種子による遺伝的多様性の補給の有無や遺伝的多様性の減少の実態を解明することを目的として、研究を行いました。
ＤＮＡ分析によるユビソヤナギの遺伝的多様性の解析解析に用いた８個のマイクロサテライトマーカーは核
DNA に存在し、多様性に富むため遺伝的な情報の把握に役立ちます。調査は、比較のため、最も原生的な河川環境を保ちユビソヤナギが連続的に生育する自生地に加え、自生地がところどころ分断化している自生地、さらには、生育地の分断化が進みユビソヤナギがわずかしか残されていない自生地で行いました。
調査の結果、生育地の分断化が進み、ユビソヤナギ集団の分布が疎になっている自生地ほど、遺伝構造（自生34

地内の集団間の遺伝的な結びつき）が弱くなっていく傾向が見られました（図１）。さらに、自生地の縮小・分断化が著しい箇所では、孤立した集団の遺伝的多様性が低下していることが分かりました（図２）。こうした結果は、
今後さらにユビソヤナギの生育地の分断化が進むと、集団を遺伝的に結びつける種子や花粉の移動が十分でなくなり、集団が遺伝的に孤立、やがて遺伝的多様性が減少し、衰退する恐れがあることを示していると考えられます。
保全への提言以上から、生育地の分断化が進み遺伝的劣化の進んだ自生地においては、世代の進行と共にさらなる劣化が進む可能性が明らかとなりました。他の自生地においても、
ユビソヤナギ集団の遺伝的多様性が維持される環境を保全するためには、不必要な河川改修を抑制し、少なくとも現状程度に流域単位で自然度の高い河畔林を連続的に残していく必要があります。
本研究は、森林総合研究所一般研究費「希少及び隔離
分布種の遺伝的多様性と遺伝的分化機構の解明」による成果です。
詳しくは菊地ら (2010) 保全生態学研究 15:89-99 及びKikuchi et al. (2010) Conservation Genetics 12: 79-89 をご覧下さい。

FFPRI

図１ 原生的な河川環境を残す湯檜曽川（群馬県）と生育地の分断化が進む伊南川（福島県）との遺伝構造の比較
横軸には地理的距離（km）、縦軸には個体間の遺伝的な近さを示す指数（Kinship）を示します。湯檜曽川のほうがグラフの傾きが大きく、近隣集団の遺伝的結びつきが強いことを示しています。

図２ ユビソヤナギ各自生地ごとの遺伝的多様性（マイクロサテライト８座で見つかった遺伝子型の総数）
生育地が縮小・分断化した鳴瀬川、江合川で遺伝的多様性の減少が著しいことが示されます。

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森林総合研究所

第２期中期計画成果集

希少樹種クロビイタヤの生育地断片化が
遺伝子流動に与える影響を明らかにしました。

森林遺伝研究領域
筑波大学
北海道大学

永光輝義
田中健太
堀田万祐子

絶滅危惧種クロビイタヤは、人為的な土地利用を受けやすい河川沿いに生育するため、多くの生育地が断片化しています。虫媒という特徴に注意して、クロビイタヤの遺伝子流動に及ぼす生育地断片化の影響を調べました。農地や市街地によって断片化した生育地では、個体数が少なくなると種子の充実率は低下しました。また、農地よりも市街地で、花粉媒介昆虫の移動が妨げられ、遺伝子流動が減少しました。つまり、生育地の断片化によって、個体数が種子生産量に、周辺環境が媒介昆虫の行動を通して遺伝子流動に影響していました。これらの成果は、保全すべき生育地の選定とその管理や育成のための種苗の収集に役立てることができます。

研究の背景と目的
クロビイタヤは、5 つに切れ込んだ葉が美しい落葉高木です（写真１）。本種は日本固有で、北海道南部および東北北部と中部山岳とに分布しています。クロビイタヤの好む生育地は、河川に沿った湿った土地です。そのような生育地は人為的な土地利用によって減少し、本種は絶滅危惧 IB 類に指定されています。
樹木の絶滅危惧種の研究は風媒（風によって花粉が媒介される）樹種に関するものが多く、虫媒樹種における特徴を解明するため、本種の生育地断片化が遺伝子流動に与える影響を調査しました。
断片化による種子生産の減少
北海道千歳市では、千歳川やその支流に沿って河畔林や防風林が残され、市街地やその郊外でクロビイタヤを見ることができます（図 1 の 1）
。しかし，その生育地は市街地や農地によって分断され、クロビイタヤの集団は断片化しています（図 1 の 2）
。断片化した集団を調べた
ところ、個体数の少ない孤立した集団では種子の充実率が低いことがわかりました（図 1 の 3）。100 個体以上の成木がある集団では種子充実率が 24% 以上だったのに対し、周辺 500 m 以内に他個体がいない孤立木では 1%未満でした。
36

市街化による遺伝子流動の減少
クロビイタヤの花は、ケバエというハエ類の昆虫によって花粉が媒介されます。農地によって分断された集団
では、個体数の少ない集団でも種子どうしの血縁は薄く、集団外との遺伝子の交流が保たれていました。
（図1の4）。
しかし、市街地によって分断された集団では、花粉を媒介する昆虫の移動が妨げられるために遺伝子の交流が少なく、集団内の種子が互いに近縁になっていました。
クロビイタヤの保全のために本研究から、生育地の断片化によって、個体数が種子生産量に、周辺環境が遺伝子流動に影響していることがわかりました。風媒樹種では断片林分の間の距離が重要で、市街地であるか農地であるかという環境はさほど影響しないことが普通ですが、虫媒樹種ではその違いが重要となります。この成果は、クロビイタヤの保全活動に役立てるとともに、他の虫媒の希少樹種の保全に重要な参考情報となります。
本研究は、森林総合研究所一般研究費「希少及び隔離
分布種の遺伝的多様性と遺伝的分化機構の解明」による成果です。

FFPRI

写真１

絶滅危惧種クロビイタヤの樹皮（左）や葉、果実（右）図１ 北海道千歳市の断片化したクロビイ
タヤの生育地における種子充実率と種子血
縁度
１：空中写真での景観、２：成木（○）と断片林（□）の分布、３：種子の充実率（青いほど種子生産が多く、赤いほど少ない）、
４：種子の血縁度（青いほど血縁が薄いので遺伝子流動が多く、赤いほど近縁で遺伝子流動が少ない）、を示します。
37

森林総合研究所

第２期中期計画成果集

ヒラタケ属きのこ” バイリング” の分類学的位置を明らかにしました
きのこ・微生物研究領域
元旭松食品株式会社

馬場崎勝彦、根田 仁
河合源四郎

新しいきのこの栽培化は、きのこの消費拡大に大いに役立ちます。バイリング（白灵菇：Bai Ling）は、中国で栽培化されたエリンギに似たきのこですが、日本で２００３年ころから栽培が始まりバイリングを含め数種類の商品名で販売されてきました。しかし、その食品
表示や品種登録等を適正に行う上で、バイリングの分類学的位置が不明なため問題がありました。本研究では、分子系統指標等を用いてその分類学的位置を解明しました。バイリング
はヒラタケ属エリンギと同種で、中国で進化したエリンギ変種であることが分かりました。
本成果は、きのこの種苗登録や食品表示に関わる行政を円滑に実施する上で大変役立っています。

研究の背景と目的
バイリングは中国新疆ウイグル地区の砂漠に自生するセリ科植物フェルラ属の植物に寄生するヒラタケ属のきのこに由来する栽培品種です。日本では 2003 年ことから栽培され、数種類の商品名で販売されていました。また、
新種として品種登録を行う動きもありました。
しかし、行政的には、分類が不明なため適正な表示指導が出来ないことや、新種として品種登録を受けることの適否が問題となっていました。このため、バイリングの分類学的位置を調べました。
バイリングの生物学的種分類
日本で栽培されるバイリングの元品種と判断される中
国産品種の品種としての違いを調べました（図１）。中国で入手した９品種は、中国の主要な２品種に由来することが分かりました。次に、この２品種の生物学的種分類を行うため対照種としたエリンギと交雑試験を行いました。エリンギは地中海沿岸、東欧、中央アジア等で、バ
イリング同様、セリ科エリンギウム属やフェルラ属を寄主として自生するヒラタケ属のきのこです。エリンギ属を寄主とするものを Pleurotus eryngii または P.eryngii
var.eryngi i、フェルラ属を寄主とするものを P.ferulae ま
たは P.eryngii var.ferulae と別種または変種と分類されてきました。交雑試験の結果、バイリング品種間及びバ
イリングとエリンギ変種間の交雑の成功率は高く ( 表１)、
バイリングとエリンギの交雑株である F1 及び F2 は子実体（きのこ）を作りました（図２）。つまり、バイリング
はエリンギと生物学的に同種と判定できました。
エリンギの変種と学名を調べる
バイリングの学名は、1987 年の最初の報告では
P.eryngii var.touliensis CJ.Mou と記載されました。し38

かし、一般にはイタリアのシチリア島で収集されたセリ科植物に寄生するヒラタケ属の標本に付けられた学名
P.nebrodensis (Inzanga) Quél. が使われることが多く、その真偽を確かめました。まず、P.nebrodensis のタイプ標本 ( 図３) の分子系統指標（IGS1 や ITS 領域の部分の DNA 塩基配列）を調査しました。タイプ標本の指標は、
P.nebrodensis と表記されるきのこのうち、シチリア島で収集された菌株のものと完全に一致しましたが、イタリア半島で収集された P.nebrodensis 菌株やエリンギ、
バイリングのものとは明らかに違いました ( 図４)。これは、シチリア産菌株のみが P.nebrodensis であり、エン
リギやバイリングは別のグループであることを示します。
次に、シチリア産菌株とエリンギ、バイリングとの交雑試験を行い、三者が相互に交雑でき同種であることを確認しました。これらのことから、バイリングは中国で進化したエリンギの変種であり、学名は、P.nebrodensis
ではなく、むしろ、最初に報告された P.eryngii var.
touliensis CJ.Mou を用いることが適切と結論しました。
本成果は、行政が担当する食品の表示指導や種苗登録で、バイリングをエリンギ種として扱う科学的根拠として役立っています。
本研究は、実行課題「きのこ類の生理生態学的解明」
で行いました。
詳しくは Kawai et al. (2008) Mycoscience 49: 75-87
をご覧下さい。
略号の説明
IGS1、ITS は、Intergenic Spacer 1、Internal
Transcribed Spacer の略号です。両者はリボゾーム RNA
遺伝子を繋ぐ DNA 領域の名称です。

FFPRI123

図1
バイリングとP.nebrodensisの地理的関係
図1 バイリングと
P.nebrodensis の地理的関係

図２ バイリング品種
図２ バイリング品種（１）、エリンギ（2）、（１）、 エ リ ン ギ（2）、及び両者の交雑株（3）の子実体
及 び 両 者 の 交 雑 株（3）の子実体

図３ P. nebrodensis のタイプ標本

図４

図３ P. nebrodensisのタイプ標本 図４
表１

ITS1 の DNA シーケンスを基にした系統樹

表１ バイリングとエリンギ及びその変種との交雑試験

バイリングとエリンギ及びその変種との交雑試験

交雑株の親株名

交雑株の親株名

交雑率（%）

バイリング品種1

バイリング品種２100

バイリング品種１

P. eryngii （エリンギ）

65

バイリング品種１

P. ferulae （フェルラエ）82

P. eryngii （エリンギ）

P. ferulae （フェルラエ）9839

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第２期中期計画成果集

アジア産マツタケのＤＮＡ原産国判別法を開発しました
きのこ微生物研究領域きのこ研究室 村田 仁、馬場崎勝彦

食の安全・安心が強く求められる中で、輸入食材の原産国表示等の信頼性確保がより重要となっています。マツタケは商業価値の高い野生きのこですが、日本で流通するマツタケの約９５％は外国産であり、適切な関税の実施や適正な価格の設定からそのトレーサビリティ
ー管理が求められています。本研究では、アジア産マツタケのトレーサビリティー管理を可能にするＤＮＡ原産国判別法を開発しました。本判別法では、日本産、朝鮮半島地域産、中国北東部産、チベット地域産のマツタケを誤判率５％で識別可能です。本判別法は、マツタケのトレーサビリティー管理に役立ちます。

研究の背景と目的
アジア産、地中海沿岸産及び北米産のマツタケはきの
この形態からそれぞれ区別がつき、分類学的な種も異なります（図１）。しかし、アジア産マツタケは同じ種で、形態による区別は困難です。そのため、輸入されたアジ
ア産を国内産と詐称される恐れがあり、これらを判別する技術が望まれていました。私たちは、マツタケの進化過程の解析に利用できる「レトロトランスポゾン」というＤＮＡ配列に着目し、アジア産マツタケのＤＮＡ原産
国判別法の開発に取り組みました。

長さを指標に用いました。この分析法を使うことにより、試験したマツタケ９５菌株で、日本産、韓国・北朝鮮産、
中国北東部産、チベット地域産のマツタケを誤判率５パーセントで識別可能でした。また、極東地域産のマツタ
ケ同士、あるいはチベット地域産のマツタケ同士は類縁性が非常に高いこと、その一方で極東地域産とチベット地域産の間には類縁性が低いことが分かりました（図３）。

ＤＮＡ分析方法
今回開発した方法は、農産物の品種判別や環境中の微生物の検査、血縁関係の分析や犯罪捜査など、幅広い分
野で使われているＰＣＲ法という簡便なＤＮＡ分析法です。本法では、レトロトランスポゾンが集まった領域の本研究は、実行課題「きのこ類の生理生態学的解明」
で行いました。
詳しくは、Murata et al. (2008) Applied and Environmental
Microbiology 74: 2023-2031をご覧下さい。

成果の活用法
ＤＮＡ分析によるアジア産マツタケの原産国判別が誤
判率５パーセントで出来るようになりました。その結果、トレーサビリティー管理への応用が可能になり、日ＤＮＡマーカーの開発
私たちが着目したレトロトランスポゾンは、マツタケ 本のマツタケ市場で必要な場合に遺伝子判別できるといの染色体におびただしい数で存在することから、マツタ うことが産地詐称を防ぎ、適正な価格設定や品質管理なケが種として確立された過程で増え、染色体上の位置を ど販売者と消費者との信頼関係、関税の公正性の面か転移した、マツタケに特有のＤＮＡ配列と考えられます。 ら取引相手国と日本国との信頼関係の構築に役立ちま
つまり、レトロトランスポゾンの数と局在は、マツタケ す。本研究は、財務省関税中央分析所と緊密に連携しての進化の痕跡なのです。今回、マツタケがアジア各地に 行われました。現在、本成果を検査の現場に役立ててい拡がりながら進化した過程を推定できるレトロトランス ただくために、本判別法の詳細を森林総合研究所ホーム
ポゾンを見つけ出し、これを指標にしてアジア産マツタ ペ ー ジ（http://www3.ffpri.affrc.go.jp/ReNewHP/labs/
matsutake/）に公開しています。
ケの原産国判別法を開発しました。

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FFPRI

図１

アジア産（日本産と中国産）と地中海沿岸産（トルコ産）マツタケ

図２ ＰＣＲ法によるＤＮＡ分析結果の例（ⅠとⅡの２つの分析系を使用し、ＤＮＡの有無と長さ（ｂｐで表示）を反映したバンドで識別）

図３

レトロトランスポゾンに基づくアジア産マツタケの分布
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Memo.

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平成 23 年 3 月
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