森林総合研究所

平成 22 年版

研究成果選集スギ花成制御遺伝子の単離と機能解析
生物工学研究領域		

二村 典宏、片畑 伸一郎、篠原 健司

背景と目的
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は形成されるのかを理解する必要があります。
本研究では、スギの花の形成（以後、花成とします）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。

成 果
スギの花成に関わる候補遺伝子の単離は、花粉以外の全ての器官で発現していました。一方、モデル実験植物であるシロイヌナズナでは、花成メカ

CjAP1/SEP 遺伝子は、針葉でもわずかに発現していまニズムの解明が進んでいます。一方、スギなどの裸子植したが、主に花で発現していることが分かりました。さ物では花成に関わる遺伝子の存在やその役割についてほらに、この 2 種類の遺伝子がスギの花成に及ぼす影響とんど分かっていません。シロイヌナズナ等では、花成について調べました。スギは通常、種を播いてから開花をはじめとする様々な発達過程に関わる遺伝子として、 するまで 10 年〜 20 年程度かかるといわれていますが、MADS-box 遺伝子と呼ばれる遺伝子グループの存在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知られています。そこで、これらの遺伝子とよく似た構花させることができます。6 年生のスギ苗木にジベレリ造を持つ遺伝子について 10,463 種類のスギ雄花完全長ンによる花成誘導をおこない、その後の遺伝子発現の経cDNA を探索した結果、12 個のスギ MADS-box 遺伝子時変化を調べた結果、CjSOC1 遺伝子の発現はジベレリを単離しました。

ン処理後 1 週間で上昇するのに対し、CjAP1/SEP 遺伝単離したスギ MADS-box 遺伝子が花成制御に関わる子の発現は雄花が肉眼で観察される頃に上昇していましかを短期間で検証するため、これらのスギ遺伝子を過剰た。以上の結果から、2 種類の遺伝子が役割を分担して発現させた遺伝子組換えシロイヌナズナを作出しましスギの花成制御に関わっていると考えています。

た。その結果、シロイヌナズナの花成を促進するように本研究で得られた成果は、スギ雄花形成の制御による働くスギ遺伝子が 2 種類あることを明らかにしました

花粉発生抑制技術の開発に役立つと考えられます。
また、

（図１）
。系統解析という手法によりこれらの遺伝子を分遺伝子組換え樹木を野外に植える際に、組換え体からの類したところ、一つはSOC1 のグループに属する遺伝子、 花粉飛散による遺伝子汚染を防止する技術開発にも役立
もう一つは AP1/SEP のグループに属する遺伝子であるつと考えられます。

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）。

本研究は、林野庁事業「遺伝子組換えによる花粉発生制御技術の開発事業」による成果です。

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48

成果の一部は Futamura, N ほか (2008) BMC Genomics
9:383 をご覧ください。

FFPRI

CjAP1/SEPCjSOC1野生型

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ます。

AGL6（シロイヌナズナ）

97
76

AGL13（シロイヌナズナ）
ZAG3（トウモロコシ）

47

SEP3（シロイヌナズナ）

85

AGL6（シロイヌナズナ）
TDR5（トマト）
AGL6（シロイヌナズナ）
97

9776

AP1/SEP
AGL13（シロイヌナズナ）
AGL13（シロイヌナズナ）
PtrMADS1 （ポプラ）76

ZAG3（トウモロコシ）
ZAG3（トウモロコシ）グループ

47

SEP1（シロイヌナズナ）

GbMADS1（イチョウ）
GbMADS1（イチョウ）
遺伝子

1.0

OsMADS1（イネ）RAP1B（イネ）OsMADS1（イネ）
71

71

71

85
SEP3（シロイヌナズナ）
FUL（シロイヌナズナ）
98 85
TDR5（トマト）98

TDR5（トマト）
TDR4（トマト）
PtrMADS1 （ポプラ） AP1/SEP
99
PtrMADS1（ポプラ） AP1/SEP
グループ
SEP1（シロイヌナズナ）
83
CAL（シロイヌナズナ）
グループ
SEP1（シロイヌナズナ）
99
SEP2（シロイヌナズナ） 遺伝子
83
AP1（シロイヌナズナ）
遺伝子
99

99

92
57
100729372

99

711009353

OsAGL20（イネ）

CjSOC1（スギ）
PrMADS4（マツ）SOC1（シロイヌナズナ）

99

OsAGL20（イネ）

100 GbMADS3（イチョウ）
TM3
TDR3（トマト）95

9696

遺伝子

ZmMADS1（トウモロコシ）
CjSOC1（スギ）99

95

CjAP1/SEP（スギ）SOC1
PrMADS4（マツ）ZmMADS1（トウモロコシ）
Dal3（トウヒ）
GbMADS3（イチョウ）
グループ

99

93
5354

CAL（シロイヌナズナ）

AP1（シロイヌナズナ）
92
CjAP1/SEP（スギ）CjSOC1（スギ）57
PtrAP1（ポプラ）Dal3（トウヒ）

100

99

TDR4（トマト）
FUL（シロイヌナズナ）

TDR4（トマト）
PrMADS4（マツ）AP1（シロイヌナズナ）
92
CAL（シロイヌナズナ）
71
57
GbMADS3（イチョウ）
PtrAP1（ポプラ）9999

FUL（シロイヌナズナ）
93 CjAP1/SEP（スギ）RAP1B（イネ）Dal3（トウヒ）
93

99

53100

SEP2（シロイヌナズナ）
ZAP1（トウモロコシ）

100

PtrAP1（ポプラ）RAP1B（イネ）ZAP1（トウモロコシ）
1005499

PtrMADS7（ポプラ）SOC1（シロイヌナズナ）
99
OsAGL20（イネ）100

TM3 TDR3（トマト）AGL14（シロイヌナズナ）

ZmMADS1（トウモロコシ）

PtrMADS7 （ポプラ）AGL19（シロイヌナズナ）
SOC1（シロイヌナズナ）

AGL14（シロイヌナズナ）

SOC1
グループ
遺伝子

SOC1
グループ
遺伝子

遺伝子発現量（相対値）

93

99

0.8

SEP3（シロイヌナズナ）

CjSOC1

0.6
0.4
0.2 1.0

1.0 CjSOC1

0.8

CjSOC10.0
0.8
0.8 0.6CjAP1/SEP

0.6

0.6
0.4
0.2
0.4

0.4 0.0
0.2
0.8

0.00.2 0.6
0.8

CjAP1/SEP

CjAP1/SEP

0.4

0.0 0.60.2種子 子葉 根 針葉 幹根

実生
種子 子葉根 針葉 幹稚樹
根0.40.00.20.0

実生

稚樹

花粉

成熟した雄花DAL1（トウヒ）

発達中の雄花SEP2（シロイヌナズナ）
DAL1（トウヒ）

100

100 PrMADS3（マツ）ZAP1（トウモロコシ）
100 PrMADS3（マツ）

成熟した雌花100

成熟した雄花発達中の雄花99

88 10088

発達中の雌花83

発達中の雄花
成熟した雌花47

発達中の雌花
成熟した雌花99発達中の雌花71

遺伝子発現量（相対値）
遺伝子発現量（相対値）

9895

CjAP1/SEPCjSOC1

DAL1（トウヒ）
図1100
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
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
100
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
PrMADS3（マツ）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ます。
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ます。
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ます。
OsMADS1（イネ）8872

CjAP1/SEPCjSOC1野生型

GbMADS1（イチョウ）
野生型

花粉

96

96

AGL80（シロイヌナズナ）
TM3
TDR3（トマト）
AGL19（シロイヌナズナ）

成熟した雄花種子 遺伝子と子葉 根 針葉 CjAP1/SEP
幹 根花粉
図３ CjSOC1
遺伝子のスギ各
図3
CjSOC1遺伝子とCjAP1/SEP遺伝子のスギ各器器官での遺伝子発現特性
PtrMADS7 （ポプラ）
09N22（スギ）54
AGL80（シロイヌナズナ）
稚樹
実生
図3
CjSOC1遺伝子とCjAP1/SEP遺伝子のスギ各器
09N22（スギ）AGL14（シロイヌナズナ）
CjSOC1遺伝子は花粉以外の全ての器官で発現し96
官での遺伝子発現特性
官での遺伝子発現特性96
AGL19（シロイヌナズナ）ています。一方、
CjAP1/SEP 遺伝子は針葉でもわ
0.05
CjSOC1遺伝子は花粉以外の全ての器官で発現し0.05
CjSOC1遺伝子は花粉以外の全ての器官で発現しAGL80（シロイヌナズナ）
ずかに発現していますが、花での発現量が多いこています。一方、CjAP1/SEP遺伝子は、針葉でもわずています。一方、CjAP1/SEP遺伝子は、針葉でもわず
図3
CjSOC1遺伝子とCjAP1/SEP遺伝子のスギ各器
09N22（スギ）2 AP1/SEP遺伝子とSOC1遺伝子によく似た構造を持つ
図2 AP1/SEP遺伝子とSOC1遺伝子によく似た構造を持つとが明らかになりました。
かに発現してますが、花での発現量が多いことが明ら官での遺伝子発現特性
かに発現してますが、花での発現量が多いことが明ら
スギのMADS-box遺伝子の系統解
ギのMADS-box遺伝子の系統解かになりました。
0.05
スギから単離したMADS-box遺伝子（赤文字）を類似の遺 かになりました。
CjSOC1遺伝子は花粉以外の全ての器官で発現しスギから単離した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、ています。一方、CjAP1/SEP遺伝子は、針葉でもわず
図2 AP1/SEP遺伝子とSOC1遺伝子によく似た構造を持つ子と比較しました。黄枠内及び青枠内の遺伝子は、
AP1/SEP 遺伝子と SOC1 遺伝子によく似た構造を かに発現してますが、花での発現量が多いことが明ら
図２AP1/SEPグループ遺伝子及びSOC1グループ遺伝子を示し
スギのMADS-box遺伝子の系統解
P1/SEPグループ遺伝子及びSOC1グループ遺伝子を示し持つています。
MADS-bos 遺伝子の系統解析
かになりました。
スギから単離したMADS-box遺伝子（赤文字）を類似の遺スギから単離した MADS-box 遺伝子 ( 赤文字 ) を類似います。 伝子と比較しました。黄枠内及び青枠内の遺伝子は、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/SEPグループ遺伝子及びSOC1グループ遺伝子を示し
AP1/SEPグループ及び SOC1 遺伝子グループを示します。ています。
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