［特集］理研バイオリソース研究センター20年の歩み

5「植物リソースの利用者から」シロイヌナズナ野生系統を用いてストレス耐性の多様性を解明
─耐性のことは耐性植物に聞け

太治 輝昭 Teruaki Taji

有賀 裕剛 Hirotaka Ariga

東京農業大学 生命科学部バイオサイエンス学科教授

国立研究開発法人 農業・食品産業技術総合研究機構
遺伝資源研究センター 研究員「環境ストレスに耐性を示す植物は，なぜ耐性なのか？」という疑問に答えるため，理研 BRC に収集されたシロイヌナズナ野生系統を用いて，浸透圧（水欠乏）耐性の多様性を決定する ACQOS 遺伝子を発見した。シロイヌナズナにおいて ACQOS の有無が病害耐性と浸透圧耐性のトレードオフにより維持されてきたことがわかった。

1 はじめにル生物という。植物の分子生物学研究ではシロイヌナズナ（Arabidopsis thaliana）が研究材料としこの写真は，スイスでの旅行中に見つけたシロて広く用いられるが，一般にシロイヌナズナといイヌナズナ近縁の雑草である。場所は標高3,100m

えば Col-0（Columbia）という実験系統を指す。

山頂。周りは永久氷河に囲まれ，寒くて年間を通この 30 年間，シロイヌナズナ＝ Col-0 を用いた

じてほとんど雨が降らない環境にも関わらず，た研究により，植物のさまざまな表現型に関するメくましく生きている。どうしてこのような劣悪環カニズムが遺伝子レベルで明らかになってきた。

境でも生育できるのか？

また，シロイヌナズナで明らかになった分子メカ

もし，この劣悪環境でも耐え抜くメカニズムがわかれば，乾燥や寒さに対して耐性を示す作物の作出に役立つに違いない。
この「環境ストレスに耐性を示す植物は，なぜ耐性なのか？」という疑問は，おそらく遙か昔から
考 え ら れ て き た と 思 わ れ る。 遺 伝 子 の 本 体 がDNA であると発見されて 70 年。最近，ようやくこの疑問に対して遺伝子レベルで答える研究成果が出始めた。
分子生物学の分野では，普遍的な生命現象を明らかにすることを目的に広く使われる生物をモデ│5 2 6││Vol.75 No.6

スイスで見つけたシロイヌナズナ近縁の雑草

5「植物リソースの利用者から」シロイヌナズナ野生系統を用いてストレス耐性の多様性を解明 ─ 耐性のことは耐性植物に聞け

ニズムは，他の植物にも当てはまることがわかっそのような折，2001 年に理研バイオリソースて来た。その一方，自然界には高い環境ストレスセンター（以降，理研 BRC）が設立。2003 年ごろ，耐性を示す植物が存在するが，その耐性メカニズ

実験植物開発室にシロイヌナズナの野生系統（エムがシロイヌナズナの研究から明らかになってきコタイプ，accession）が寄託され，このシロイたものと共通しているのか，それとも異なるのかヌナズナ野生系統を扱う機会を得た。

については依然として不明な点が多い。
2000 年頃，シロイヌナズナ近縁の塩生植物，
Eutrema salsugineum（以前は Thellungiella halo-

2 シロイヌナズナ野生系統の耐塩性

phila, Thellungiella salsugineaと名づけられていた）が中国とカナダの沿岸付近で発見された。塩シロイヌナズナは日本にも自生種が数種類ある生植物とは，海水と同程度の塩濃度でも生活環をように，世界中のさまざまな地域に生息し，現在全うできる植物を指し，ヤエヤマヒルギ（マングまでに 2000 系統以上収集されている。これらはさローブ）などがその代表例として知られる。ほとまざまな環境条件に適応した結果，同じ種でありんどの植物種は塩に弱く，動物には必須のナトリながらそれぞれ地理的にも遺伝的にも分化したとウムイオン（Na ）は植物にとって毒でしかない。

考えられる。当時も二つの野生系統間に見られる大昔の地球は全面海に覆われていたため，土壌の表現型の違い（たとえば開花時期や種子サイズな＋下には塩が多分に存在する。内陸の農業は水を定期的に散布する灌漑農業が主流だが，散布した水用語解説 Glossary

は地中の塩を溶かし，その塩水が乾燥に伴い地表【完全長 cDNA】
ゲノムから転写される mRNA を鋳型として逆転写酵素により作成される DNA（Complementary DNA; cDNA）のうに上昇する。水は地表から蒸発するが塩は地表に残るため，これを繰り返す灌漑農業では塩が地表に蓄積する。時に干ばつなど激しい乾燥に曝されると，一気に塩が地表を覆い，植物が生存できない砂漠と化す。このことから，塩害は砂漠化の主要原因となっており，農作物の減収を引き起こす大きな問題となっている。E. salsugineum が見出された当時，この植物を用いれば「耐性植物は，なぜ耐性なのか？」という疑問に答えられるのではと期待が高まった。私達のグループだけでも，完全長 cDNA＊ ライブラリーの作成と全長シークエンスの決定（理研バイオリソースセンター _ 実
験植物開発室との共同事業），マイクロアレイ解
析＊ や完全長 cDNA を用いた FOX hunting＊ による有用遺伝子の単離をおこなってきた 1）〜6）。しかしながら E. salsugineum の野生系統間には耐塩性に大きな差がなく（いずれの系統も耐塩性が極めて高い），耐性を示す植物と示さない植物の違いを決定する遺伝子やそのメカニズムを明らかにする材料としては不向きであった。
ち，機能しうるタンパク質を翻訳するための完全な長さを持つ cDNA を完全長 cDNA とよぶ。遺伝子の機能を調べるために用いられたり，転写開始点を決定するために用いられたりする。
【マイクロアレイ解析】
ゲノムに存在する大多数もしくは全遺伝子を対象とした網羅的な遺伝子発現を解析する手法の一つ。スライドガラス
上に遺伝子特異的な 25 〜 50 塩基のオリゴ DNA を貼り付け，そこに蛍光で標識した RNA サンプルをハイブリダイゼーションし，強光シグナル強度を測定することで遺伝子発現量を数値化する。
【FOX hunting】
Full-length cDNA overexpressing（FOX）hunting の略。完全長 cDNA がタンパク質を翻訳する全長を持つことを利用し，この完全長 cDNA を過剰発現ベクターへ移し替え，これらをバルク（たとえば 100 遺伝子分をまとめて），あるいは個別に生物に導入し，たとえばストレス耐性が向上するといった目的表現型を示す個体を選抜（hunting）する。
【QTL 解析】QTL とは，quantitative trait loci の略で，量的形質（さまざまな表現型，たとえばストレス耐性や種子の数など）を支配する遺伝子が座乗する染色体上の場所（領域）を指す。
QTL 解析とは，目的の量的形質と染色体上の場所が明らかになっているマーカーとの相関（連鎖）を調べる，またその QTL の効果の大きさを推定する解析を指す。

│Vol.75 No.6│5 2 7│

［特集］理研バイオリソース研究センター20年の歩み

ど）に関するQTL解析＊ が報告されていたものの，ある程度の母集団で共通する多Col-0

Sg-2Bu-5Bur-0

Wl-0

Zu-0

塩ストレス
0 日目様性や，その背景でどのような遺伝子が働いているの14 日目

かに関しては不明であった。
そ こ で は じ め に， 理 研
BRC_ 実験植物開発室に寄28 日目

託された 350 系統の耐塩性を評価した。その結果，シロイヌナズナ野生系統間に

図1

シロイヌナズナ野生系統に見られる耐塩性の多様性［文献 7）より改変 ］

は耐塩性に大きな多様性が観察されること，驚くべきことに海水と同程度の塩濃度でも耐性を示す野生ゲノムプロジェクトとよばれるコンソーシアムが系統が存在することを明らかにした（図1）。その後組成され，2016 年，シロイヌナズナの 1135 系統の解析から耐塩性系統は，生育に影響を与えないについて全ゲノム情報が公開された 11）。これに程度の塩ストレスを一定期間経ることで，海水程より，シロイヌナズナにおいても GWAS をはじ度の浸透圧ストレス（水が吸えない水分ストレス）めとする集団遺伝学的解析が可能となった。にも耐性を示す，「塩馴化後浸透圧耐性」に優れて塩馴化後浸透圧耐性の多様性に寄与する遺伝子いることが明らかとなった 。この塩馴化後浸透圧座の特定を目的に，200 系統のシロイヌナズナに7）耐性は実験系統 Col-0 では認められないことから， ついて耐性評価を実施し，そのデータを GWAS 解従来の画一的な実験材料＝ Col-0 では明らかにで析に供した。その結果，第 5 染色体下碗の 1 遺伝子きないメカニズムの解明に繋がると予想された。

座が塩馴化後浸透圧耐性の多様性を制御していることがわかった。この遺伝子座を浸透圧馴化耐性の英語，ACQuired OSmotoleranceより，ACQOS

3 シロイヌナズナ野生系統を用いた集団遺伝学的解析

遺伝子座と命名した［図 2（a）］。GWAS は偽陽性も検出しうるため，最終的な遺伝子同定までには，準同質遺伝子系統（NIL）の作成や相補試験による近年のシークエンス技術の発展は目覚ましく，確認が必要となる。詳細は割愛するが，塩馴化後シロイヌナズナを取り巻く研究環境も大きく変

浸透圧耐性を示す系統である Bu-5 と，Col-0 の交わってきた。2007 年にシロイヌナズナ野生系統間配によりNILを作出し，その耐性と遺伝子型の解における 25 万ヵ所の一塩基多型（SNP）データが析より，極めて狭い遺伝子領域にまでACQOS 遺伝

公開され，2010 年，200 系統のシロイヌナズナを用いて，107 項目の表現型に関するゲノムワイド関連解析（GWAS） が実施された＊。GWAS8）9）

解析は，多様性を制御する遺伝子特定の強力なツールとなっており，特にヒトの表現型（たとえば身長など）に関わる遺伝子座の同定で大きな成果をあげている 10）。さらにシロイヌナズナ 1001
│5 2 8││Vol.75 No.6

用語解説 Glossary【GWAS 解析】GWAS とは，Genome wide association study の略で，ゲノ ム 上 に 存 在 す る（ 一 般 に ）数 十 万 箇 所 の 一 塩 基 多 型（SNP）と目的の量的形質との相関（連鎖）を調べることにより，その量的形質を支配する遺伝子が座乗する染色体上の位置を調べる解析。

5「植物リソースの利用者から」シロイヌナズナ野生系統を用いてストレス耐性の多様性を解明 ─ 耐性のことは耐性植物に聞けした。絞り込んだ遺伝子領域の全多型を検出するために Bu-5 由来の BAC ライブ
ラリー（ゲノム DNA を 100kbp ほどの大きさに分割し，（a）-log10（p-value）

子座を絞り込むことに成功

鍵遺伝子領域
ACQuired OSmotolerance（ACQOS）locus

12108642
Chr.1（b）

Chr.2

Col-0

Chr.3

Chr.4

Chr.5

ACQOS

ACQOS 破壊株

クローニングしたプラスミ
ドDNAの集合体）を構築し，Chr.5 18.4

18.6

18.8

19.0

19.2

19.4（Mb）

AC Q O S 遺 伝 子 座 を 含 む
BAC クローンのシークエンスを実施した。その結果，
Col-0 は植物の免疫受容体

図2

塩馴化後浸透圧耐性の GWAS 解析（a）GWAS 解析と ACQOS 遺伝子座（b）Col-0 の ACQOS 破壊株は浸透圧（水欠乏）耐性を示す［文献 12）より改変 ］として働く NB-LRR を 4 遺伝並んだ形で持つのに対して，Bu-5 では 1 遺伝

病原菌

水分ストレス子のみ持っている箇所を発見した。これらの遺伝子について解析した結果，Col-0 が持つ一つのかった。浸透圧耐性を抑制する遺伝子であるため，?

エフェクター（免疫抑制分子）NB-LRR が浸透圧耐性を著しく抑制することがわ
エフェクター
標的タンパク質

Col-0 にてこの NB-LRR を欠損させた変異株は著?

NB-LRR

しい浸透圧耐性を獲得した［図 2（b）］。すなわち

ACQOS

EDS1

シロイヌナズナ間の浸透圧耐性の多様性を決めるフィードバック制御が証明された。

?

?

（免疫受容体）ACQOS 遺伝子の本体はこの NB-LRR であること

?
?

PAD4

免疫応答
中心制御因子フィードバック制御

免疫応答（サリチル酸の合成，細胞死など）

ACQOS 遺伝子は浸透圧応答に関わる遺伝子では病害耐性の向上なく，免疫受容体のNB-LRRをコードする遺伝子で過剰な免疫応答による水分ストレス耐性の喪失ある。NB-LRR は病原菌が放出するエフェクター（植物の免疫応答を阻害する因子）やエフェクター

図3

ACQOS 遺伝子の役割とモデル図により変性したタンパク質を認識し，植物免疫応答の中心である EDS1/PAD4 と協調して免疫応答を誘導する（図 3）。私達が用いる試験系は無菌環に浸透圧耐性を示したことから，ACQOS は病原境であり，ACQOS を持たないシロイヌナズナは菌ではなく浸透圧により免疫応答を誘導し，過剰浸透圧ストレス下で免疫応答を誘導しない。しかに免疫応答が亢進した結果，浸透圧耐性が損なわしながら ACQOS を持つシロイヌナズナは，浸透れることがわかってきた（図 3）。

圧ストレス下においてサリチル酸（植物の病害応最後に ACQOS を持つ利点があるのか調べるた

答に重要なホルモン）を蓄積し，病害応答遺伝子群め，ACQOS の病害耐性への寄与について調べた。の遺伝子発現を誘導することが明らかとなった。

その結果，AC Q OS を持つシロイヌナズナは，ACQOS を持つシロイヌナズナにおいて EDS1/ACQOS を持たないシロイヌナズナと比較して病PAD4 のどちらか一方を欠損させて免疫応答を止原細菌（Pseudomonas syringae pv. tomato strain

めると，ACQOS を持たないシロイヌナズナ同様DC3000）に耐性を示すことがわかった。

│Vol.75 No.6│5 2 9│

［特集］理研バイオリソース研究センター20年の歩み

（a）

ACQOL

グループ1（b）

ACQOS

グループ2

グループ1
耐性 なし
グループ2
グループ3グループ4グループ 5
耐性 あり

グループ3
グループ4Col-0

グループ1

Mrk-0

グループ2Rou-0

グループ3Zu-0

グループ4Eri-0

誕生した後，グループ 2, 3の系統のように ACQOS 遺伝子内に点変異や欠失が生グループ 5（c）において ACQOS 遺伝子がじたことで浸透圧耐性を改グループ 5C24めて獲得した進化の存在を示唆した。ヨーロッパにおけるシロイヌナズナの分布をグループごとに調べると，グループ 1 が非常に近接した地域のみに生息する一方，ACQOS 遺伝子に変異が生じ た グ ル ー プ 2 や ACQOS

図4

遺伝子が欠失したグループ

ACQOS 遺伝子座の多様性［文献 12）より改変 ］

3 はヨーロッパの広範囲に
分 布 す る（ 図 5）
。ACQOS

4 ACQOS 遺伝子座の多様性と進化について遺伝子は何らかの病害に対して有利に働く一方，浸透圧耐性に対しては不利である。グループ 2,
3 の系統は ACQOS 遺伝子の変異や欠失により浸ACQOS 遺伝子座の多様性と進化を探るため，
79 のシロイヌナズナ野生系統について ACQOS 遺透圧耐性を再獲得した結果，生息地域を広げたのかもしれない。

伝子座をシークエンスしたところ，5 種類のグ以上より，シロイヌナズナにおいて ACQOS のループに分けられた（図 4）。Col-0 は ACQOS 遺伝有無が病害耐性と浸透圧耐性のトレードオフによ子に隣接して ACQOSと非常によく似た ACQOSlike（ACQOL）遺伝子を持つ。5 グループの内訳は，ACQOSと ACQOL の両方を持っていない遺伝子グループ 1型（グループ 4, 5）が最も多く（72%），ACQOSグループ 3

ACQOL ACQOS

グループ 2
グループ 4, 5遺伝子を持つ遺伝子型（グループ 1）は 10 ％と少数派で，その他は ACQOS 遺伝子を持つものの塩基置換が複数箇所に認められる遺伝子型（グループ 2），あるいは ACQOL 遺伝子のみ持つ遺伝子型（グループ 3）だった。ACQOS 遺伝子を持つ，グループ 1 と 2 について ACQOS 遺伝子周辺の塩基多様性を調べると，ACQOS 遺伝子内の塩基多様性はゲノムの平均的な塩基多様性と比較して著しく高く，ACQOS 遺伝子に選択圧がかかっていることが示唆された。実際に，グループ 2 の ACQOS遺伝子は，機能不全（変異型）になっていた。これらの結果は，グループ 1 のシロイヌナズナ系統│5 3 0││Vol.75 No.6

図5

ACQOS 遺伝子座のグループごとにおけるヨーロッパ分布

5「植物リソースの利用者から」シロイヌナズナ野生系統を用いてストレス耐性の多様性を解明 ─ 耐性のことは耐性植物に聞けり維持されてきたこと，すなわち，生息する環境

5 今後の展開の違いにより，ACQOS 遺伝子が選択圧を受けてきたことが示唆された 12）。

ACQOS 遺伝子は持てば病害耐性を獲得し，欠さて，シロイヌナズナ以外の植物種でもACQOS損させれば著しい浸透圧耐性を獲得する。今回示遺伝子の有無が浸透圧耐性の多様性に関わっていした私達の研究結果では，ACQOS 遺伝子を持つるのだろうか。理研 BRC_ 実験植物開発室ではシシロイヌナズナ近縁種は見つからなかった。しかロイヌナズナ近縁の植物種についても種子の提供

し NB-LRR は植物のゲノム中に多数（シロイヌナをおこなっている。そこで，シロイヌナズナ近縁のズナ：150 遺伝子，イネ：600 遺伝子）存在するこCapsella rubella, Cardamine hirusta, Arabis alpinaとから，他の植物種にはACQOS 遺伝子と同様に浸について，浸透圧耐性と ACQOS 遺伝子のホモロ

透圧耐性を抑制する NB-LRR があるかもしれない。

グを調べたところ，いずれも塩馴化後浸透圧耐性

そのような植物においては，水田や植物工場のよを示し，かつ系統樹上，ACQOS や ACQOLと同うな乾燥にさらされない環境では ACQOS 遺伝子じ節に属するホモログは認められなかった（図 6）。 を持たせることで病害耐性を向上させ，逆に乾燥用いた植物種にも野生系統は複数あるため，一つが頻繁に起こる圃場では，ACQOS をなくすことでの野生系統から推察できないものの，ACQOS 遺著しい浸透圧耐性を向上させることが期待される。

伝子はシロイヌナズナで見られるユニークな遺伝

この研究を通じてACQOS が浸透圧耐性を抑制す子かもしれない。

るという，塩馴化後浸透圧耐性を示さないシロイヌ（a）Col-0Bu-5Capsella rubella

Cardamine hirusta

Arabis alpina
CARHR292230.1（b）

ACQOS
$&426
ACQOL
AL8G11920.t1
At1g31540
At5g46270
Carubv10027634m
AL8G12190.t1
At5g46260
CARHR174840.1
Araha.28366s0002.1
Araha.40873s0001.1
Carubv10004008m
Carubv10025753m
Aa G313590.t1
Aa G33030.t1
Aa G89780.t1
Araha.10139s0001.1
Araha.33644s0001.1
AL8G11960.t1
AL8G11930.t1
Tree scale: 0.1

図6

CARHR175060.1

シロイヌナズナ近縁植物の塩馴化後浸透圧耐性と ACQOS 遺伝子ホモログ系統樹│Vol.75 No.6│5 3 1│

［特集］理研バイオリソース研究センター20年の歩み

ナズナ野生系統の原因が明らかとなったものの，浸透圧耐性を示す野生系統の耐性メカニズムは未だ不明である。この謎を解くために，私達のグループでは，塩馴化後浸透圧耐性を示す Bu-5 の種子に突然変異処理をおこない，耐性欠損変異株を取得した。
いくつかの変異株については原因遺伝子も明らかとなり，その耐性メカニズムが明らかになりつつある。
このようにシロイヌナズナ野生系統は多様性メカニズム解明の強力な材料となっている。ここで紹介した塩馴化後浸透圧耐性のように，広くシロイヌナズナとして用いられている Col-0 だけを扱っていては見えてこない，新しい分野を切り開くこともあり，興味は尽きない。

6 これからの理研 BRCに期待すること
理研 BRC_ 実験植物開発室からは，シロイヌナ
ズナ野生系統の種子，野生系統同士を交雑した
F2 種子，完全長 cDNA といった材料のほか，形質転換などの技術講習でも強力に支援いただいてきた。この場をお借りして感謝申し上げる。基礎研究を推進する上で，バイオリソースセンターの担う役割は極めて大きい。今後も継続してこれらの材料提供をお願いしたい。また，ゲノムシークエンスが身近になったからこそ，突然変異株の単he at a nd sa l i n it y st re ss tolera nce i n t ra n sgen ic
Arabidopsis thaliana. Biochemical and biophysical researchcommunications 1–6（2015）doi:10.1016/j.bbrc.2015.06.
151.
3） Wu, H.-J. et al. Insights into salt tolerance from thegenome of Thellungiella salsuginea. Proceedings of theNational Academy of Sciences of the United States of America
109, 12219–12224（2012）.
4） Taji, T. et al. Comparative genomic analysis of 1047
completely sequenced cDNAs from an Arabidopsisrelated model halophyte, Thellungiella halophila. BMCplant biology 10, 261（2010）.
5） Taji, T. et al. Comparative genomics in salt tolerance
between Arabidopsis and aRabidopsis-related halophyte
salt cress using Arabidopsis microarray. Plant physiology
135, 1697–1709（2004）.
6） Taji, T. et al. Large-scale collection and annotation offull-length enriched cDNAs from a model halophyte,
Thellungiella halophila. BMC plant biology 8, 115（2008）.
7） Katori, T. et al. Dissecting the genetic control of naturalvariation in salt tolerance of Arabidopsis thaliana
accessions. Journal of experimental botany 61, 1125–1138（2010）.
8） Atwell, S. et al. Genome-wide association study of 107
phenoty pes in A rabidopsis thaliana inbred lines.
Nature 465, 627–631（2010）.
9） Kim, S. et al. Recombination and linkage disequilibriumin Arabidopsis thaliana. Nat Genet 39, 1151–1155（2007）.
10）Yengo, L. et al. Meta-analysis of genome-wide association
studies for height and body mass index in ∼700000
individuals of European ancestry. Hum Mol Genet 27,3641–3649（2018）.
11）Consortium, T. 1001 G. 1,135 Genomes Reveal theGlobal Pattern of Polymorphism in Arabidopsis thaliana.
Cell 166, 481–491（2016）.
12）Ariga, H. et al. NLR locus-mediated trade-off between
abiotic and biotic stress adaptation in Arabidopsis.
Nature Plants 1–8（2017）doi:10.1038/nplants.2017.72.

離・遺伝子同定・機能解析がますます有効な手段となってきた。野生系統の突然変異処理種子など，オーダーメイド的な材料作成もニーズが高いように思う。このほか，研究者にさまざまな技術の登録をしていただき，研究者と研究者をつなぐ，人的・技術的リソースの展開も期待したい。

東京農業大学 生命科学部バイオサイエンス学科教授
博士（理学 , 筑波大学）。理化学研究所基礎科学特別研究員を経て現職。Plant and Cell Physiology 編集委員。Frontiers in Plant Science 編集委員。専門分野は，植物分子遺伝学。

有賀 裕剛 Hirotaka Ariga［文 献］
1） Higashi, Y. et al. HsfA1d, a Protein Identified via FOXHu nt i n g Usi n g T hel lu n g iel la s a l s ug i ne a c DN A s
Improves Heat Tolerance by Regulating Heat-StressResponsive Gene Expression. Molecular plant 6, 411–422（2013）.
2） Ariga, H. et al. CSP41b, a protein identified via FOX
hunting using Eutrema salsugineum cDNAs, improves│5 3 2│

太治 輝昭 Teruaki Taji│Vol.75 No.6

国立研究開発法人 農業・食品産業技術総合研究機構
遺伝資源研究センター 研究員
2014〜2016 年，日本学術振興会 特別研究員（DC2）。
2016 年，東京農業大学大学院農学研究科 博士課程修了，博士（バイオサイエンス）。農業・食品産業
技術総合研究機構でのポスドク，日本学術振興会 特別研究員（PD）を経て，2020 年より現職。専門分野は，遺伝育種科学。