最新イメージング技術を用いたイネ染色体断片置換系統群における根系形態に関与する遺伝子領域の同定
Identification of genomic regions associated with root system architectures inadvanced mapping populations of rice using a novel imaging and software platform
コーネル大学
派遣期間
研究機関
研究指導者

宇賀 優作
2014 年 8 月 25 日～2015 年 8 月 23 日
Department of Plant Breeding & Genetics, Cornell University, Ithaca,
NY 14853-190, United States
Prof. Susan McCouch

The plant root system is an essential organ for the absorption of water and nutrients from the soil. The distributionof different root types in a root system determines its ability to efficiently take up water and nutrients because theseresources are heterogeneously distributed in the soil. To improve water- and nutrient-uptake in rice, we identified a ricegenomic region associated with root system using 2D and 3D root-phenotyping systems. We used a set of 26
chromosome segment substitution lines (CSSLs) derived from a cross between ‘IR64’ and ‘Kinandang Patong’. The rootsystems of 26 CSSLs grown under hydroponic conditions were evaluated using 2D image analysis. Based on theseresults, we selected 8 CSSLs that exhibited greater root growth compared to control variety ‘IR64’. Three-dimensional
analysis for the 8 CSSLs grown in gellan gum revealed that only one CSSL (SL1003) showed significantly longer totalroot length than ‘IR64’ although total root number, centroid of root system, and maximum root depth did not differ

significantly between SL1003 and ‘IR64’. The SL1003 has a ‘Kinandang Patong’ introgression on the long arm ofchromosome 1. These results suggest that this region includes gene(s) primarily controlling root elongation rather thanother root traits.

研究目的

可能になった。しかし、ゲノム育種により品種改良

人口増加と経済成長に伴い、2050 年までに現在のするためには目的の形質に関与する遺伝子を同定し2 倍の食料を世界全体で生産する必要があると報告

な け れ ば な ら な い 。 地 上部 の 形 質 に 関 し て は 、されている (FAO, http://www.fao.org)。しかし、近年、1960~70 年代に草丈を 1m ほどに抑えることで｢緑の地球規模の環境変動に伴う大規模な干ばつが農業生革命｣をもたらした半矮性遺伝子 sd1 で知られるよ産に甚大な被害を及ぼしている。とくに発展途上国

うに、品種改良や遺伝子の同定が進んできた。一方、では用水路などの農業インフラがない地域が多く、地下に存在する根系は土壌からの養水分の吸収など資本の少ない農家は十分な水を利用できず、干ばつに影響する重要な形質にもかかわらず、調査の困難の被害を受けやすい。また、同様の理由で彼らは十さもあり、有効な遺伝子は得られず「根の改良によ分な量の化学肥料を購入・利用できないため、収穫る第二の緑の革命 (Gewin, 2010)」が待ち望まれてき量は日本の半分程度である。それゆえ、水や肥料なた。

どの資源が乏しい土壌環境でも高い生産性を発揮できる品種の開発が強く求められている。

最近我々は世界で初めてゲノム育種に利用できる深根性遺伝子 DRO1 を単離・同定した (Uga et al.,

近年イネゲノムの解読とともに、DNA マーカーを2013)。インドやインドネシアを中心に世界で広く栽用いたゲノム育種により新品種の開発は短い年月で培されている水稲品種「IR64」は水と肥料が十分ある環境では多収となるが、IR64 は浅根で干ばつなどその結果、KP は IR64 に比べ、播種後 6 日目から種に弱く、不良環境では十分な収穫量が得られない。

子根が有意に長いことが分かった。また、冠根につそこで、我々は深根で干ばつに強い陸稲品種

いては、第 1、第 2、第 3 冠根長がそれぞれ 9、11、「Kinandang Patong (KP)」から単離した DRO1 を12 日目から IR64 よりも KP が有意に長くなることがDNA マーカー選抜法により IR64 に導入した。DRO1分かった。

を導入した IR64 は深根化により干ばつ時にも土壌つぎに、IR64 と KP の交配由来の CSSLs 26 系統を下層からの水を吸収することで干ばつに強くなり、両親と同じ条件で水耕栽培し、同じ方法で画像デー収穫量が増大した。しかし、厳しい干ばつで多収をタ取得後、根長を測定した。CSSLs は IR64 と KP をめざすには、より土壌下層の水を獲得できるように交配した後、DNA マーカー選抜と戻し交配を繰り返さらなる深根化が必要である。

すことで、IR64 を遺伝背景とし、各染色体の一部断深根化には根伸長角度と最長根長の 2 つの形質が片が KP 由来のゲノムに置換された系統群である。

関与している。DRO1 は機能型で根伸長角度が大き全 26 系統で第 1 染色体から第 12 染色体がすべてカくなり、根が下方向へ伸長した。一方で、DRO1 はバーされている。CSSLs を解析した結果、IR64 (親最長根長などの他の根系形態や地上部形態には影響コントロール) よりも有意に種子根長が長いものが、しなかった。つまり、機能型 DRO1 を持ったイネが12 系統あった。
このうち、第 1~3 冠根長の合計が IR64

さらに土壌下層の水を獲得するためには根をより長より長いものが 8 系統存在した。これらの系統は、く改良することが有効であると推察できる。

それぞれ第 1、2、5、6、7、8 染色体が KP 型のゲノ

本研究では根の伸長に関与する遺伝子を単離し、ムに置換されており、これらの領域に種子根およびゲノム育種に利用することを目的に、IR64 と KP の冠根の長さをコントロールする遺伝子が存在するこ交配由来の染色体断片置換系統群 (CSSLs, Uga et al.とが推測された。

2005) に対して 2 次元 (2D) および 3 次元 (3D) の2.

3D 画像解析による CSSLs の根系形態の解析根系画像を取得し、根系形態の定量的解析を行った。

1.の結果から 8 系統を選抜し、これら系統の根系得られた表現型データから根長に特異的に関与する形態を経時的かつ非破壊的に計測するため、寒天培染色体領域を同定した。

地の一種であるゲランガムを根の支持体として用いた。ゲランガムは通常の寒天よりも透明で根の観察研究経過に適している。ゲランガムを充填した円柱状のシリ土壌環境において KP は IR64 よりも根長が 2 倍ほンダーにイネを移植し、播種後人工気象室内で栽培ど長くなることがわかっている。遺伝子単離には大した。3 日目から 11 日目まで隔日で、デジタルカメ量のイネ個体を調査する必要があるが、自然の土壌ラにより根系の画像データを取得した。専用の撮影環境で膨大な数のイネの根長を調査することは非現テーブルにイネの入ったシリンダーをセットし、テ実的である。そこで、本研究では、水耕やゲル等のーブルを自動で回転させながら、横から計 40 枚の 2

人工環境条件下で根長に関与する遺伝子領域を見出次元画像を取得した。得られた画像データを根系画すことを試みた。

像解析ソフト RootReader3D (Clark et al., 2011) によ

1.

2D 画像解析による CSSLs の根系形態の解析って 3 次元画像に再構築し、種子根と冠根の総根長はじめに、水耕栽培条件で IR64 と KP 間で根長にや最深根長、根系の重心などの根系形態を数値化し有意な差がみられるか調査した。発泡ポリエチレンた。解析結果から、8 系統のうち IR64 よりも総根長板に発芽したイネを固定し、改変 Magnavaca 水耕液が有意に長かった CSSL 系統は SL1003 のみであった。

(pH=5.5) を満たしたコンテナーに浮かべ、人工気象

総根長は種子根と冠根の主根長と側根長の総和であ室内で栽培した。栽培期間中、隔日で水耕液を交換る。SL1003 は総根長が長くなっていたが、種子根長し、毎日、水耕液の pH を 5.5 に調整した。発芽後 6は有意に長くなっていなかったことから、冠根長が日目から 16 日目まで毎日、ガラスの水盤に根を 2長くなったこと、もしくは、種子根および冠根の側次元的に広げ、デジタルカメラで撮影した。根系画

根が長くなったことにより総根長が長くなったと推像解析ソフト RootReader2D (Clark et al., 2013) を用察された。

いて画像データから種子根長と冠根長を測定した。

つぎに、SL1003 の根系発達が土壌条件で再現性があるかを調べるために、Turface (焼成粘土) を培地とったことによると考えられた。また、他の根系形態して用いた。一般的な土は根に絡みやすく、根を洗にはほとんど影響しないことから、SL1003 が持つい、観察することが難しい。一方、Turface は水中でKP のゲノム断片には冠根長を特異的に伸長させる

根から簡単に離れるため、根の観察に適している。

遺伝子が存在すると推察される。

本試験では、コンテナーに塩ビ管を配置し、塩ビ管内にメッシュ・タワー (3D プリンターで 8 枚のメッ考察シュ状の円盤を作製し、各円盤を数㎝ずつ離して円植物の根系は土壌中に存在するため、自然の状態柱状に固定したもの) を入れた後、Turface を流しこの根を観察するためには、根系を掘り起こすなどのんだ。その後、改変 Magnavaca 水耕液を満たし、発作業を要する。従来の品種改良では通常数千から数芽したイネ種子をメッシュ・タワーの一番上の円盤万個体の調査を必要とする。一方、ゲノム育種の進中央部の穴に播種した。各コンテナーは栽培期間中歩により形質の調査をしなくても、対象遺伝子の近エアレーションを行い、水耕液を 3 日ごとに交換し傍に位置する DNA マーカーを用いることで簡単にた。IR64、KP、SL1003 の 3 系統それぞれを 10 個体めざす個体の選抜が可能になった。しかし、対象とずつ調査した。播種後 15 日目に水の張った水槽内でする遺伝子を同定するためにはやはり数百から数千

塩ビ管からメッシュ・タワーをゆっくり取り出し、個体の植物を調査する必要があるが、土壌からの掘Turface を取り除いた。メッシュ・タワーの各円盤にり起こしは現実的ではない。本研究に用いた CSSLs

はイネの根系が伸長したままの状態で固定されておは小さい集団でイネゲノム全体をカバーしており、り、この状態のまま撮影用の専用水槽内テーブルに各個体の反復を増やしても一度に大量のイネを調査

メッシュ・タワーをセットした。テーブルを自動でする必要がない。本研究では人工的な栽培環境で少回転させながら、横から計 100 枚の 2 次元画像を取数のイネを栽培し、２D と３D の 2 つの画像解析シ得した。得られた画像データを根系画像解析ソフト

ステムを用いて効率的に根系形態を調査することがRootReader3D によって 3 次元画像に再構築し、種子できた。26 系統の CSSLs のうち、SL1003 は種子根根と冠根の総根長や最深根長、根系の重心などの根長が親系統である IR64 と有意な差は見られないが、系形態を数値化した。解析結果から、SL1003 の総根冠根長は有意な差が見られた。また、最深根長や根長は IR64 よりも約 32 ㎝長かった。ただし、個体間系の重心などのその他の形態には影響しないことがのばらつきが大きいため、統計的に有意な差は得ら分かった。SL1003 は第 1 染色体長腕部のみが KP 由れなかった。この総根長の違いが何に由来するのか

来のゲノムに置換されている。また、前後の系統とを明らかにするため、より詳細な解析を行った。主比較することで、冠根長に関与する領域が 8.51Mb

根の総根長を調べたところ、SL1003 は IR64 よりもであることが分かった。本領域には冠根伸長に特異約 29 ㎝有意に長かった。つぎに、主根を種子根と冠的に関与する遺伝子が存在すると推察される。そこ根に分けて測定したところ、冠根の総根長は SL1003で、仮に対象の遺伝子を qCRL1 (quantitative traitが IR64 より約 27 ㎝有意に長いことがわかった。一locus for Crown Root Length 1) と命名した。今後は当方、種子根は有意な差はなかった。また、最深根長遺伝子の単離・同定を行い、その機能解明を進めるや根系の重心は両系統に有意な差は見られなかった。

とともに、準同質遺伝子系統を作製し、干ばつ耐性

ただし、SL1003 の総根数は IR64 よりも有意に増えに対する効果を明らかにする予定である。

ていたことから、根数の増加が総根長に影響していることが考えられた。そこで、各個体の個々の冠根

Clark R.T., Famoso A.N., Zhao K., Shaff J.E., Craft E.J.

長を測定し、総根長の差が冠根長の増大によるもの

et al. (2013) High-throughput two-dimensional rootなのか、冠根数の増加によるものなのかを調べた。

system

その結果、すべての冠根で IR64 よりも SL1003 が長analysis of root growth and development. Plant Cell

くなっていることがわかった。増えた冠根自体の長Environment 36: 454–466.

phenotyping

platform

facilitates

genetic

さは数㎝程度と、総根長の増加を説明するほど長く

Clark R.T., MacCurdy R.B., Jung J.K., Shaff J.E.,

はなっていなかった。以上のことから、SL1003 の総McCouch S.R. et al. (2011) Three-dimensional root

根長が IR64 より長くなった原因は冠根長が長くな

phenotyping with a novel imaging and software

platform. Plant Physiology 156: 455–465.の耐乾性および収量性の遺伝的改良. 日本植物Gewin V. (2010) An underground revolution. Nature 466:552–553
Uga Y., Kitomi Y., Yamamoto E., Kanno N., Kawai S. et学会第 79 回大会シンポジウム (招待講演).
4.

architecture enhances rice yield under deficiencies ofal. (2015) A QTL for root growth angle on ricewater and nitrogen. Lynch’s Lab seminar. The

chromosome 7 is involved in the genetic pathway ofPennsylvania State University.

DEEPER ROOTING 1. Rice 8: 8.
Uga Y., Sugimoto K., Ogawa S., Rane J., Ishitani M. et al5.

architecture enhances yield performance underDEEPER ROOTING 1 increases rice yield underdrought in rice. Benfey’s Lab seminar. Duku

drought conditions. Nature Genetics 45: 1097–1102.

University.
6.

宇賀優作, 木富悠花 (2015) 干ばつ耐性向上を

drought resistance in rice. Grass Group meeting.

めざした根型育種の有効性と今後の展望. 第 43Cornell University.

回根研究集会特別シンポジウム (招待講演).

7.

宇賀優作 (2014) Genetic control of root system

Uga Y., Assaranurak I., Larson B.G., Craft E.J., Shaffarchitecture improves drought avoidance in rice.

J.E., Kitomi Y., McCouch S.R., Kochian L.V.

International Workshop on Plant Water Stress(2015) 2D&3D 画像解析によるイネ第 1 染色体のResponses and Water-Use Efficiency (招待講演).

根系発達に関与するゲノム領域の発見. 日本育種学会第 128 回講演会.
3.

Uga Y. (2015) Genetic control of root systemarchitecture is promising breeding strategy for

口頭発表

2.

Uga Y. (2015) Genetic control of root system(2013) Control of root system architecture by

研究の発表
1.

Uga Y. (2015) Genetic control of root system

宇賀優作 (2015) 深根性遺伝子を活用したイネ