2021年10月7日
公益財団法人全国競馬・畜産振興会
創立30周年記念講演会「家畜ゲノム研究の過去から未来へ」

我が国の畜産業の将来に向けた
家畜育種の課題と展望～持続可能な畜産を目指したゲノム育種～

東北大学大学院農学研究科
動物遺伝育種学分野

上本吉伸

目次
１．ゲノム情報の活用
２．ゲノム育種の現状
３．将来に向けた課題と展望

１．ゲノム情報の活用これまでの家畜育種と今後の家畜育種

従来はゲノム情報をブラックボックスとして扱っていたが、分子遺伝学の進歩により、現在はゲノム情報を積極的に活用した育種法を実施。
これまでの家畜育種

環境効果
遺伝効果
(Black Box)
今後の家畜育種

表現型値

遺伝的能力の予測
BLUP法
REML法

遺伝的能力(育種価)

血統情報
QTL

分子遺伝学の進歩

表現型に影響を与えるQTLの探索

ゲノム情報

DNAマーカー（ex. SNP)

育種価予測の正確度向上（ゲノミック選抜法）

直接選抜(MAS、MAI)

ゲノム情報を利用することで、改良効率を上げることができるのではないか？

動物遺伝育種学の発展

統計学を駆使した手法（統計遺伝学）と直接DNAなどを扱う分子遺伝学の両分野の発展により、ゲノム情報を活用した育種が可能となった。
統計遺伝学の進展

分子遺伝学の進展

1886：Galtonによる親子回帰
1918：Fisher, Wright, Haldaneによる量的遺伝学の確立
1935：Lushによる量的遺伝学の家畜育種への応用
1950：Hendersonによる育種価の概念
1960：Falconerの量的遺伝学入門

1953：Watson & CrickによるDNA構造

1973：HendersonによるBLUP法
2001：Meuwissenらによるゲノミック
選抜法

1990：Lande & ThompsonによるDNAマーカーの利用
2003：ヒトゲノム解読宣言

特に1990年代からDNAマーカー
2005：次世代シークエンサーの開発 の開発が家畜においても進展
2013：CRISPR-Cas9によるゲノム編集

DNAマーカーを利用した家畜育種法がこれからの主流となっていくゲノム情報の整備

家畜（ウシ、ブタ、ニワトリ）のゲノム解読によるデータベース整備
は、先行するヒトゲノム情報の解読の進展に併行して行われてきた。
ヒトゲノムの進展競争相手である国際チームと民間チームとが同時に概要を公表
ゲノムプロ
ジェクト開始1990

1092人のゲノム情報を解読し、SNP情報を記したマップを公開

全ゲノム概要解読
国際チーム(Nature)
セレーラ社( Science)

2001

全ゲノム完全解読(Nature)2004

各組織でのメチル化情報を記したマップ情報を公開

各国でNGSを用いた全ゲノム解読を実施
Ex) Genomics England

1000ゲノムプロジェクト エピゲノムプロジェク
終了 (Nature)ト終了 (Nature)

2010, 20122015

大規模集団の全ゲノム解読

現在

家畜ゲノムの進展
2004

進化学的観点からヒトと比較するために、家畜では最初に解読された。

ニワトリ全ゲノム解読(Nature)

2009

2012

ウシ全ゲノム解読 ブタ全ゲノム解読(Science)(Nature)

2014

2015

1000ブルプロジェクト FAANGプロジェクト開始
中間報告(234頭解読）(Genome biology)(Nature genetics)

オーストラリアを中心とし、約1000頭のウシゲノムを解読しSNP情報を記したマップを公開するプロジェクト

各畜種のゲノム上の機能を解明する国際プロジェクト(Functional Annotationof ANimal Genomes)

ゲノム解析の進展（我が国の家畜ゲノム研究）

我が国では、ウシゲノムは動物遺伝研究所、ブタゲノムは（独）農業生物資源研究所 & STAFFが中心となり実施してきた。
ウシゲノム研究

社団法人畜産技術協会
付属動物遺伝研究所
・連鎖地図の作成
・ゲノム解読・遺伝病原因遺伝子の探索
・枝肉重量・BMSに影響を与える遺伝子の探索
・黒毛和種のSNP探索 など(Science, 2009表紙)

ブタゲノム研究(Nature, 2012表紙)

農業生物資源研究所（現、農研機構）
STAFF（現、JATAFF）
・連鎖地図の作成
・ゲノム解読・肉質、抗病性、飼料利用性等に影響を与える遺伝子の探索 など

JRA畜産振興事業

・ウシのゲノム・遺伝病研究

H3～15：家畜遺伝子情報活用体制整備
特別対策事業H27～29：ゲノム情報活用育種改良推進事業のうち肉用牛ゲノミック評価検討事業
H29～31：和牛のゲノム情報化事業など

・ブタのゲノム研究

H3～9：農林水産ゲノム解析研究事業
H27～28：ゲノム情報活用育種改良推進事業のうち豚改良へのゲノム情報の活用高度化事業など

・飼料作物のゲノム研究

H7～15：飼料作物品種育成先端技術開発
促進事業
H29～31：とうもろこしすす紋病抵抗性
遺伝子集積促進技術開発事業など

一塩基多型(SNP: Single Nucleotide Polymorphism)
SNPは、個体間で一塩基のみ差が見られる変異であり、ゲノム上のいたるところに存在。現在では、DNAマーカーとしてSNPが主に用いられる。
非遺伝子領域

遺伝子領域

SNP多型

exon

ゲノムDNA

exon exon

個体A---CCTAGCG--------AATGTAG----Val---GTAGCTC----Ala---TTCGAAC-----

個体B---CCTACCG--------AATGCAG----Ala---GTAGCCC----Ala---TTCGGAC-----

どのような影響かは未知（発現制御？）

アミノ酸変化（立体構造変化？）

どのような影響かは未知（発現制御？）アミノ酸が変化なし（影響なし）

dbSNPデータベースに登録されているSNP等の変異数種

ヒト

ウシ

ブタ

ニワトリ

イヌ

カモノハシ

ゼブラ
フィッシュ

SNP数(万)70,10010,4006,700

2,400590

130

1,700

https://asia.ensembl.org/info/genome/variation/species/sources_documentation.html(2021年9月現在)

２．ゲノム育種の現状

どのようにSNP情報を家畜育種に応用するのか？
SNP情報の家畜育種への利用方法は、・少数の効果の大きなSNPを利用する場合（マーカーアシスト選抜(MAS)）
・SNPチップ上のすべてのSNPを利用する場合（ゲノミック選抜）の2つの方法に分けられる。実用性において共にメリット・デメリットがある。
SNP情報の利用方法
ゲノムワイド関連解析(GWAS)

SNP情報・表現型値の収集
・現場 ：集団の確保・表現型値測定・研究室 ：SNP遺伝子型判定

ゲノミック選抜

量的形質遺伝座(QTL)の解明

・研究室：QTLの特定遺伝子機能の解明

ビッグデータ解析と同様に、SNPと表現型値の因果関係が未知の状態でゲノム育種価を予測

育種改良への応用
MAS・現場：遺伝的能力の評価
種畜の選抜

マーカーアシスト選抜(MAS)ゲノミック選抜

QTLを検出し、得られたQTLを指標に選抜する方法

SNPチップ上の全SNPを指標に選抜する方法

対象形質：・効果の大きいQTLが存在する形質。
・測定が難しい形質。

遺伝病や鶏羽色などの質的形質の改良を主に実施

対象形質：・遺伝率が比較的高い形質。
・多くの個体で測定可能な形質。

家畜育種の分野では一大ブーム！！
各畜種にて実用化されている

ゲノミック選抜法（またはゲノミック評価法ともいう）
ゲノム上の全SNPから各SNP効果を推定し、その合計である値“ゲノム育種価”を遺伝的能力値として評価する方法。資源集団でSNPおよび表現型値からSNP効果を推定し、選抜集団のゲノム育種価を予測。
ゲノミック選抜の流れ

予測式の概略

Meuwissenら(2001)が発表。
資源集団染色体選抜集団

SNP1

SNP2

SNP3

ゲノム育種価の予測式
SNP型 ：あり
表現型値：あり選抜集団のゲノム育種価を予測することをゲノミック評価といい、それを指標に選抜することをゲノミック選抜。

Xi：i=1～pまでの遺伝子型（Xi = {AA, AB, BB} = {0, 1, 2}）

yyAA

ABBB

gi：i=1～pまでのSNP効果－gp＋g2＋g1
選抜された集団

SNP p

y = X1 g1 + X 2 g 2 +  + X p g p + e

SNP型 ：あり
表現型値：なし

yゲノム育種価の予測式

SNP4

AAABBBAAABBB

各SNPによって異なる傾き（SNP効果）を示す。

各SNP効果をすべて足し合わせることで、“ゲノム育種価”を予測し、選抜の指標にする。
ゲノム育種価あり多数のSNP遺伝子型判定法が今後の課題

SNP遺伝子型判定の躍進
1990年代後半から2008年までは、DNAマーカーはマイクロサテライトが主流であった。しかし、2008年以降、多くのSNPを一度に遺伝子型判定できるようになり、現在ではSNPが主流となっている。
Ex) ウシゲノム 約3,000 Mbp
マイクロサテライトマーカー～2008年

SNPマーカー

2008年～

染色体染色体約10 Mbp
全ゲノムで300マーカー

100倍以上！！

約0.1 Mbp (100 kbp)
全ゲノムで30,000マーカー以上

SNPチップの出現
2008年以降、SNPを高密度に配置したSNP解析用チップが、アメリカに本社のある
Illumina社より市販され、数万個を一回で遺伝子型判定が可能となった。
SNPチップ上のSNPは、複数の品種間で多型性が見られるSNPを優先的に配置している。
ARS-BFGL-BAC-11714

1.60
1.40

BovineLD BovineSNP50
6,91254,609
383 kbp49.4 kbp
4,500円
9,000円BovineHD
777,962
3.4 kbp
18,000円（注）価格は2017年10月現在

1.20

Norm R

ウシの例
SNP数
平均SNP間隔
価格/頭10.800.600.400.200-0.20

2280AA

2100.200.400.60

Norm Theta

Aa290.80

1aa

SNPチップSNPチップがもたらす家畜育種へのインパクト
Meuwissenらの報告とSNPチップの販売によって、家畜育種法は大きく変化してきた。現在、アメリカのホルスタイン種では、100万頭以上の個体でSNP遺伝子型判定され、乳量の年あたり改良量が50～100％上昇。

Huimin et al. (2017)
Meuwissen et al. (2001)の論文引用数

年あたりの乳量の改良量

アメリカのホルスタイン種のSNP遺伝子型判定個体数

2008年のSNPチップ販売が、家畜育種における大きな転換期であるといえる

ウシ集団における遺伝的改良・家畜育種において、遺伝的改良量を向上させることが最も重要。
・ゲノム情報は、現在の育種システムに付加する位置付けであり、遺伝的改良量の向上に寄与する方法について考えていくことが重要。

遺伝的改良量頭数

遺伝的改良量を増加させる方法

両親の平均値選抜10

父親86420頭数

選抜

10

母親

表現型値

8642表現型値

0交配

育成
頭数

・選抜圧の増加・育種価予測精度の向上
・世代間隔の縮小

ゲノム情報の活用！！

世代間隔の縮小
Ex) 乳用牛集団

育種価予測精度の向上
Ex) 肉用牛集団

子の平均値

108

子

6420

表現型値

遺伝的改良量若雄牛（検定前牛）の流通による世代間隔の縮小

検定牛の選抜リス
クを避けるための育種価予測精度向上

ゲノミック評価の例：乳用牛集団
欧米では、ゲノム育種価を用いた遺伝的能力評価をすでに実施している。日本では2017年2月より、ホルスタイン種のゲノム育種価を家畜改良センターHPで公表開始。
供給可能種雄牛 (sire1702.pdf)

SNP情報の有無

SNP情報の有無
国内若雄牛-その１- (dom1702y1.csv)
泌乳及び体型形質において娘牛がいない若雄牛
国際ID
HOLJPNM000000057268
HOLJPNM000000057255
HOLJPNM000000057253
HOLJPNM000000056348
HOLJPNM000000057378
HOLJPNM000000057288
HOLJPNM000000056837

略号
JP5H57268
JP3H57255
JP3H57253
JP4H56348
JP3H57378
JP3H57288
JP5H56837

名号
RCA ﾗﾙﾏ DF ｸﾘｴｲﾀ- ET
SEA-LAKE ｽﾄ-ﾝ GT ﾏｴｽﾄﾛ
SEA-LAKE ﾓ-ｶﾞﾝ ｼﾞｴｲｿﾝ ET
TLM ｱ ﾗ ﾓ-ﾄﾞ
ｵﾑﾗ ﾊﾞﾗ-ﾄﾞ ET
ｸﾞﾘ-ﾝｴﾝｼﾞｴﾙ ﾗ-ｸﾚｽﾄ JC ｽﾀ- ET
ﾃｲ-ﾕ- ﾚﾃﾞｲｽﾏﾅ- ｼﾞｵﾝｸﾞ

生年月日
血統濃度 SNP
2014/9/11
100 G2014/10/21
100 G
2014/10/12
100 G
2012/9/20
100 G
2014/12/5
100 G
2014/9/30
100 G
2013/9/9
100 G

公表可能な未経産牛の総合指数上位500位(ghntp1702.csv)
順位 国際ＩＤ
1 JPNF001412920450
2 JPNF001353573760
3 JPNF001491207442
4 JPNF001516416354

生年 総合指数 産乳成分 …
2015
3487
2774 …
2016
3438
2915 …
2016
3246
2649 …
2016
3225
2820 …

（未経産牛は2013年11月より先行実施）(http://www.nlbc.go.jp/kachikukairyo/iden/nyuyogyu/hol2017_02.html)

乳用牛ではゲノミック評価が一般的な遺伝的能力評価となってる

空胎日数 評価時期
138 G1702
149 G1702
146 G1702
148 G1702

SNP情報の有無ゲノミック評価の例：肉用牛集団

家畜改良事業団では、枝肉6形質に関する黒毛和種のゲノミック評価を2018年度から実施。脂肪酸組成についても現在実施中。
G評価成績報告書の例

家畜改良事業団HP参照（http://liaj.or.jp/giken/image/G-houkokusyo201910_3page.pdf）（日本農業新聞1面、2018/1/26）

肉用牛においてもゲノミック評価が重要な指標となっていくゲノム育種価の予測精度

ゲノム育種価の予測精度は、特に資源集団の頭数に影響を受ける。そのため、多検体測定可能な表現型値の測定法(High-throughput phenotyping)が重要。

予測精度と頭数の関係

High-throughput phenotyping

黒毛和種集団のSNP遺伝子型約10,000頭を用いて、シミュレーションによる個体数と正確度との関係を推定。
後代数15頭、h2=0.5のTakeda et al. (2021)

h2=0.5h2=0.3

ゲノム育種価の正確度

場合の育種価正確度

近年、スマート農業による個体管理システムが多数開発・利用され、多くの個体情報が表現型値として蓄積可能。

データのクラウド管理

h2=0.1

ドローンによる牛群管理

約20,000頭

約30,000頭

約50,000頭

資源集団の個体数

後代検定と同様の正確度を得るには、非常に多数の記録が必要

スマホによる個体識別

カメラによる状態把握

スマート農業で得られる情報を表現型値としてゲノミック評価に活用ゲノミック選抜の将来

現在では、受精卵の段階からSNP遺伝子型を判定し選抜を行うような研究がなされており、近い将来実用化されていく。 Hou et al., (2018)

雌牛1
体外授精

雄牛
受精卵

体外授精
受精卵

SNP遺伝子型判定・選抜
次世代の牛

雌牛2

採卵

少量の細胞をバイオプシーし、DNAを抽出

選抜されず淘汰

胚からDNA用サンプルを取ることで着床率が低下するため、少量サンプルから効率よくDNAを得るための技術が今後課題。

Livestock 2.0に向けて・・・

ゲノム情報を有効に活用するために、SNPチップ、次世代シークエンサー、ゲノム編集を組み合わせた新たな育種法により、Livestock 2.0の実現を目指す。
家畜化

Tait-Burkard et al. (2018)

生産形質の選抜

現集団

将来の集団

ゲノム編集など利用

新技術の導入ゲノミック
選抜

現在の移行期生産性：大抗病性：大環境への適応：大遺伝病遺伝子、質的形質遺伝子、効果の大きなQTLなどが対象

育種手法自体はほぼ成熟してきており、今後は対象形質の選定にシフト３．将来に向けた課題と展望

畜産をめぐる環境（地球温暖化）
地球温暖化・気候変動は、地球上の環境や生態系に深刻な影響を及ぼすとともに、気象災害の増加・激化により、農林水産業や農村地域の生活に甚大な被害をもたらしている。
気温の推移

気温の変化と畜産への影響
どの報告も暑熱化では乳量が下がるという結果（■通常、□暑熱下）(Tao and Dahl, 2013).

気象庁HP(https://www.data.jma.go.jp/gmd/kaiyou/db/mar_env/knowledg
e/ohc/hiatus.html)

日本で飼育されているホルスタイン種育成牛の増体量がどのくらい低下するかについて、育成牛を温湿度調節室で飼育した実験から予測。

日本の平均気温の予測結果は、現在(1984～2014年)から将来(2080～2100年)までに1.1～4.4℃上昇。
(https://lin.alic.go.jp/alic/month/domefore/2012/sep/wadai.htm)

畜産をめぐる環境（薬剤耐性菌）
地球温暖化により、熱に弱い菌が高温環境に適応すれば、生体防御反応が効かず、既存の抗菌薬も効かない菌が拡大する恐れがある。
薬剤耐性菌の経路

薬剤耐性菌による死者

家畜から薬剤耐性菌が広がる経路
抗菌薬

耐性菌の出現

家畜に飼料添 食品残留
加・治療排泄物を通じ環境へ薬が効かない耐性菌に感染
家畜に対する抗菌薬の添加により、薬剤耐性菌が増加。

推定死亡者数
2013年
2050年

薬剤耐性菌

破傷風

交通事故

ガン

麻疹

コレラ

下痢性疾患

糖尿病

The Review on Antimicrobial Resistance : Antimicrobial Resistance: Tackling a
Crisis for the Future Health and Wealth of Nations (December 2014)

薬剤耐性菌による死者数は、2050年にはガンを抜いて1位となる。

農林水産分野における温室効果ガス排出量
我が国の全温室効果ガスのうち、農林水産分野では約2.8%であり、そのうち約20%が反芻家畜によるメタン排出量となっている。
農林水産分野の温室効果ガス排出量
ヨーロッパでは、約13%、世界では約14.5%が畜産分野からの温室効果ガス

日本における温室効果ガス排出量

約2割が反芻家畜の呼吸からH30.3 農林水産省HP(http://www.maff.go.jp/j/kanbo/kankyo/seisaku/s_ondanka/senryaku.html)

地球温暖化への対応
地球温暖化対策として、温室効果ガスの大幅な排出削減目標や、持続可能な開発目標(SDGs)を地球規模で掲げられている。
国際目標
2015年9月の国連サミットで全会一致で採択。「誰一人取り残さない」持続可能で多様性と包摂性のある社会の実現のため、2030年を年限とする17の国際目標。
2050年までに温室効果ガスを実質ゼロとするカーボンニュートラルへの挑戦。

気候変動

https://www.mofa.go.jp/mofaj/gaiko/oda/sdgs/pdf/sdgs_gaiyou_202103.pdf

国内目標
2015年12月「パリ協定」を受けて、2016年5月に閣議決定された「地球温暖化対策計画」では、2030年度に2013年度比で26％削減を掲げ、2020年の臨時国会において、菅総理より2050年までに温室効果ガスを排出ゼロ宣言。

https://www.mlit.go.jp/jutakukentiku/house/content/001400902.pdf

温室効果ガスの抜本的排出削減へ向けた取り組みが国内外で加速化

代替肉の台頭
環境問題への意識から、培養肉や植物由来タンパク質への代替肉について注目されてきており、今後大きな市場シェアを占めていく。
代替肉・培養肉市場

培養肉の作製細胞を採取
細胞を増やす増やした細胞で組織を作る

市場規模
1.2兆ドル
10%

培養肉の現状2013年：オランダ・マーストリヒト大学にて、世界初の培養肉ハンバーグを開発。研究費を含め1個当たり約3500万円。
2020年：米イート・ジャスト社の培養肉チキンナゲットがシンガポール国内で販売許可。1皿約1800円。
日本では、日清食品と東京大学が培養肉ステーキを開発。

1.8兆ドル
35%
25%

90%
40%

培養肉
植物などの代替肉
従来の肉

米A.T.カーニーHP引用（https://www.nl.kearney.com/consumerretail/article/?/a/when-consumers-go-vegan-how-much-meat-willbe-left-on-the-table-for-agribusiness-）

多くの日本の食肉加工メーカーが、代替肉や培養肉の開発を行っており、近い将来、代替肉・培養肉市場への移行が加速していくことが考えられる。

食肉は効率性だけを追求すると、代替肉で転用できるような技術開発が進む持続可能な畜産
今後、持続可能な畜産を達成するためには、環境保全と生産性向上の同時達成が必要であり、環境配慮下での生産性向上が今後の課題。
大規模集約化畜産・生産性：大・コスト：小・環境負荷：大環境に配慮した畜産・生産性：小・コスト：大・環境負荷：小・生産性：大・コスト：小・環境負荷：小代替品

・培養肉・大豆ミート・豆乳チーズなど

・生産性：大・コスト：小・環境負荷：小環境保全と生産性向上の同時達成が必要
・スマート農業によるコスト削減
・飼養管理技術の高度化
・放牧地活用や自給飼料生産技術の向上
・環境に配慮・適応した育種など
今後の育種目標の設定がより重要

これまでに蓄積した育種手法は、持続可能な畜産にも貢献できるのでは？

例）メタン削減に向けた方策（各種手法の比較）
乳生産において、様々な手法でメタン排出量を削減できるが、なかでも育種改良による方法が大きな可能性を秘めている。
乳生産における様々な手法によるメタン削減の最大可能量（推定値）
最大削減可能量（CH4/ECM %)育種改良
飼料・栄養管理

メタン排出量の育種はこれまで行われていなかったため、大きな可能性を秘めている。

ルーメン
微生物制御
他の管理法
全手法を総合Knapp et al. (2014)

育種改良による手法がメタン削減に大きく貢献できる可能性

例）メタン排出量の遺伝的影響
ルーメン内微生物叢を含む環境要因のみを対象とした研究が主であったが、今後は自身の遺伝的能力（ホストジェネティクス）が注目。

Roehe et al. (2016) Plos Genet 12(2):e1005846.

メタン排出量は、飼料、種雄牛自身の遺伝的能力（ホストジェネティクス）、ルーメン内微生物叢の違い、の3つの要因に影響を与え、それらが密接に関連性をもつ。

PLoS Genetics
2017年リサーチ賞受賞
家畜育種＋微生物叢＝新ニーズへの対応
今後、異分野融合研究がより重要になる

動物遺伝育種学の（更なる）発展

今後は、持続可能な畜産業へと貢献できる育種目標の設定とともに、これまでの手法を積極的に活用した育種改良が重要となる。
統計遺伝学の進展
2001：Meuwissenらによるゲノミック
選抜法分子遺伝学の進展
1990：Lande & ThompsonによるDNAマーカーの利用
2003：ヒトゲノム解読宣言

特に1990年代からDNAマーカー
2005：次世代シークエンサーの開発 の開発が家畜においても進展
2013：CRISPR-Cas9によるゲノム編集

2008-2020：SNPチップを用いたゲノミック選抜法
2021～ ：持続可能な畜産に向けた育種改良法

・High-throughput phenotyping技術の積極的活用による表現型測定
・環境に配慮・適応した育種目標（メタン削減、耐暑性、抗病性、飼料利用性、など）
・ホストジェネティクス - 常在細菌叢間の相互作用の解明
・遺伝的多様性の維持など、様々な分野の融合的なアプローチが必要（特に育種目標は大きな課題であり、産官学の強い連携が必要）
畜産業自体の存在意義を問われ、将来に向けた持続可能な取り組みが重要