森林総合研究所

平成 22 年版

研究成果選集生物の種を超えた遺伝子の転移 ―マツノマダラカミキリの常染色体上に寄生細菌ボルバキアの遺伝子を発見―
東北支所			

相川 拓也

（独）産業技術総合研究所

安佛 尚志

放送大学			

二河 成男

森林微生物研究領域		

菊地 泰生

愛媛大学			

柴田（独）産業技術総合研究所

深津 武馬

洋

背景と目的
ボルバキアは主に昆虫類の細胞内に寄生する細菌で宿主昆虫に生殖異常をもたらします。その異常にはいくつかタイプがあり、子孫が全くできなくなるタイプや、子孫がすべて雌になるタイプなどが知られています。これまでの研究により、マツ材線虫病の媒介昆虫であるマツノマダラカミキリ（写真 1）の体内からもボルバキアの遺伝子が検出されていたことから、マツノマダラカミキリにもボルバキアが感染していることが示唆されていました。本研究は、ボルバキアによるマツノマダラカミキリへの生殖攪乱の影響を解析し、ボルバキアがマツ材線虫病に対する防除素材として利用可能か否かを明らかにすることを目的に進めました。

成 果
メンデルの法則にしたがって遺伝するボルバキア遺伝子
昆虫の細胞内に寄生しているボルバキアは雌から子孫へと感染するのみで雄から子孫へは決して感染しません。ボ

ラカミキリの常染色体へ転移した（水平転移した）ことを示しています。
大規模に転移していたボルバキア遺伝子

ルバキアの遺伝子が検出されるマツノマダラカミキリ系統

ボルバキアの遺伝子がどれくらいマツノマダラカミキリ（感染系統）と検出されない系統（非感染系統）を用いてに転移しているかを調べてみたところ、約 14％のボルバ3 世代にわたる交配実験を行ったところ、非感染雄 × 感

キアの遺伝子がマツノマダラカミキリに転移していること

染雌の組み合わせでは（図 1：A）、他の昆虫で見られるボが明らかとなりました（図 2）。昆虫などの高等生物においルバキアの遺伝様式と同様に、母親（Ｇ 1）から次世代（Ｇ 2） て、大規模な遺伝子の水平転移を具体的に証明した例はへ完全にボルバキアの遺伝子が移行しましたが、感染雄世界的に見ても極めて少ないことから、本成果は高等生物

×非感染雌の組み合わせでも（図 1：B）得られた子孫はの機能や進化に及ぼす遺伝子水平転移の影響を考える上すべてボルバキアの遺伝子を持っていました（図 1：G2）。 では大変貴重な発見と言えます。
すなわち、細胞内寄生細菌ではあり得ないはずの父親からボルバキア遺伝子の痕跡の意味子孫への移行が起こったのです。さらに、ボルバキアの遺本研究により、細菌としてのボルバキアがマツノマダラ伝子が検出されたＧ 2 世代の雌と非感染系統の雄を交配カミキリに感染しているのではなく、ボルバキアの一部のさせたところ、今度は感染個体と非感染個体が約 1：1 の遺伝子がマツノマダラカミキリの染色体上に水平転移して比率で出現しました（図 1：Ｇ 3）。このボルバキアの遺伝いるという予想外の事実が明らかとなり、防除素材利用の子はまるでマツノマダラカミキリの常染色体と連鎖してい手がかりは得られませんでしたが、この “遺伝子の痕跡” は、るかのように、生物の教科書に載っているメンデルの法則

マツノマダラカミキリが過去にボルバキアによる感染を受にしたがって遺伝したのです。

けていたことを物語っています。つまり、まだ日本のどこ7 番目の常染色体上に存在したボルバキア遺伝子

かにボルバキアに感染したマツノマダラカミキリ個体群が本当にボルバキアの遺伝子がマツノマダラカミキリの常存在する可能性があるのです。
そのような個体群を発見し、染色体上に存在するかどうかを視覚的に確かめたところ、 ボルバキアのマツノマダラカミキリに対する影響を明らか
ボルバキアの遺伝子はマツノマダラカミキリの 10 本の染にしていくことで、今後、ボルバキアをマツ材線虫病に対色体のうち 7 番目の常染色体上に存在することが確認でして利用するための道が開けてくると考えています。

きました（写真 2）。このことは、ボルバキアの遺伝子断片が何らかのプロセスによってボルバキアからマツノマダ
62

本研究は科学研究費補助金（19780126）による成果です。

FFPRI12345

1 12 23 34 45 51623785491052431
9 9 10 106 68 87 7
写真2 マツノマダラカミキリの染色体上に存在するボルバキアの968107遺伝子（減数分裂中期II）。マツノマダラカミキリの10本の写真1 マツノマダラカミキリ。マツ材線虫病の病原体であるマツノザイセンチュウを染色体（青色）のうち、大きい方から数えて7番目の常染色体媒介する森林害虫。
写真2
マツノマダラカミキリの染色体上に存在するボルバキアのマツノマダラカミキリの染色体上に存在するボルバキアの写真２
マツノマダラカミキリの染色体上に存在するボルバ
写真1
写真1
マツノマダラカミキリ。マツ材線虫病のマツノマダラカミキリ。マツ材線虫病の写真2
写真１
マツノマダラカミキリ。マツ材線上にボルバキアの遺伝子の存在を示す2つの黄色いシグナル
写真2
マツノマダラカミキリの染色体上に存在するボルバキアの遺伝子（減数分裂中期II）。マツノマダラカミキリの10本の遺伝子（減数分裂中期II）。マツノマダラカミキリの10本の写真1マツノマダラカミキリ。マツ材線虫病のキアの遺伝子（減数分裂中期II）。マツノマダラカミ
病原体であるマツノザイセンチュウを病原体であるマツノザイセンチュウを虫病の病原体であるマツノザイセが見える。
遺伝子（減数分裂中期II）。マツノマダラカミキリの10本の病原体であるマツノザイセンチュウを染色体（青色）のうち、大きい方から数えて7番目の常染色体染色体（青色）のうち、大きい方から数えて7番目の常染色体キリの10本の染色体（青色）のうち、大きい方から96810媒介する森林害虫。
媒介する森林害虫。
7ンチュウを媒介する森林害虫。
染色体（青色）のうち、大きい方から数えて7番目の常染色体媒介する森林害虫。
上にボルバキアの遺伝子の存在を示す2つの黄色いシグナル
上にボルバキアの遺伝子の存在を示す2つの黄色いシグナル
数えて 7 番目の常染色体上にボルバキアの遺伝子のＢ
Ａ
上にボルバキアの遺伝子の存在を示す2つの黄色いシグナル
世代 が見える。
が見える。 2 つの黄色いシグナルが見える。
存在を示す
写真2 マツノマダラカミキリの染色体上に存在するボルバキアのが見える。
写真1 マツノマダラカミキリ。マツ材線虫病の病原体であるマツノザイセンチュウをFF
OO媒介する森林害虫。

遺伝子（減数分裂中期II）。マツノマダラカミキリの10本のG1OO
FF ＢＢ Ｂ
染色体（青色）のうち、大きい方から数えて7番目の常染色体世代
世代
世代

Ａ ＡＡ

上にボルバキアの遺伝子の存在を示す2つの黄色いシグナル

OO
OO OO

ＡFF
FF FF

FOFO

OO

OO

G1G2FF

OO

FO

FO

0000

OO0

FO24024 24024

OO

OO

OO

OO

OO

OO

FO

FO0FO

22FO

25 OO

FO

FO

FO G3FO

FO

OO

FO FO
OO
FO FO 250 OO OO
0 OO 22OO

0OO

G300G325FO

OO

OO

25 25
OO

G2G2OOG2OO OOFO 25

OOOO OO

OO

FF

G2OO

FO FO 25
FO FOOO
0 OO OO
0 OO 24
OO0FF
FF FF

Ｂ

世代OO

OO

G1G1が見える。
G1G3G3000022OO

OO

OO

OO OO

22 22 25 2525

OO

OO

FOFO

FO

FO

FO FO
FO FOFO20
FO FO
OOOO
OO
FO FOOOFOFO 25
OO OO15FOOO
OOOO
OO
OO
212015 OO
2021 1212 171719 1920
25： ：1 1 ： ： 1 1111 120211217192015252020212112121717
図1マツノマダラカミキリにおけるボルバキアftsZ遺伝子の遺伝様式。Ａ：非感染系統の雄と感染系統の雌の20201515ftsZ遺伝子の遺伝様式。Ａ：非感染系統の雄と図１
マツノマダラカミキリにおけるボルバキア
25 25 19 19
図1 マツノマダラカミキリにおけるボルバキアftsZ遺伝子の遺伝様式。Ａ：非感染系統の雄と感染系統の雌の：：1111組み合わせ。Ｂ：感染系統の雄と非感染系統の雌の組み合わせ。オレンジ色の雌雄シンボルはftsZ遺伝子が検出
感染系統の雌の組み合わせ。Ｂ：感染系統の雄と非感染系統の雌の組み合わせ。オレンジ組み合わせ。Ｂ：感染系統の雄と非感染系統の雌の組み合わせ。オレンジ色の雌雄シンボルはftsZ遺伝子が検出
1 1 ： ： 1 1
1 1 ： ： 1 1
図1 マツノマダラカミキリにおけるボルバキアftsZ遺伝子の遺伝様式。Ａ：非感染系統の雄と感染系統の雌のされたことを示す。雌雄シンボルの円中の文字は、ftsZ遺伝子をホモで持つ個体（FF）、 ftsZ遺伝子を持たない個体ftsZ 遺伝子が検出されたことを示す。雌雄シンボルの円中の文字は、色の雌雄シンボルはされたことを示す。雌雄シンボルの円中の文字は、ftsZ遺伝子をホモで持つ個体（FF）、ftsZ遺伝子を持たない個体組み合わせ。Ｂ：感染系統の雄と非感染系統の雌の組み合わせ。オレンジ色の雌雄シンボルはftsZ遺伝子が検出
図1 図1
マツノマダラカミキリにおけるボルバキアftsZ遺伝子の遺伝様式。Ａ：非感染系統の雄と感染系統の雌のマツノマダラカミキリにおけるボルバキアftsZ遺伝子の遺伝様式。Ａ：非感染系統の雄と感染系統の雌の（OO）、 ftsZ遺伝子をヘテロで持つ個体（FO）を示す。雌雄シンボル下の数値は得られた子孫数を示す。
ftsZ遺伝子をホモで持つ個体（FF）、ftsZ遺伝子を持たない個体（OO）、ftsZ 遺伝子をヘテ（OO）、ftsZ遺伝子をヘテロで持つ個体（FO）を示す。雌雄シンボル下の数値は得られた子孫数を示す。
されたことを示す。雌雄シンボルの円中の文字は、ftsZ遺伝子をホモで持つ個体（FF）、ftsZ遺伝子を持たない個体組み合わせ。Ｂ：感染系統の雄と非感染系統の雌の組み合わせ。オレンジ色の雌雄シンボルはftsZ遺伝子が検出組み合わせ。Ｂ：感染系統の雄と非感染系統の雌の組み合わせ。オレンジ色の雌雄シンボルはftsZ遺伝子が検出（OO）、ftsZ遺伝子をヘテロで持つ個体（FO）を示す。雌雄シンボル下の数値は得られた子孫数を示す。
ロで持つ個体（FO）を示す。雌雄シンボル下の数値は得られた子孫数を示す。
されたことを示す。雌雄シンボルの円中の文字は、されたことを示す。雌雄シンボルの円中の文字は、
ftsZ遺伝子をホモで持つ個体（FF）、ftsZ遺伝子をホモで持つ個体（FF）、ftsZ遺伝子を持たない個体
ftsZ遺伝子を持たない個体
11,200（OO）、（OO）、ftsZ遺伝子をヘテロで持つ個体（FO）を示す。雌雄シンボル下の数値は得られた子孫数を示す。
ftsZ遺伝子をヘテロで持つ個体（FO）を示す。雌雄シンボル下の数値は得られた子孫数を示す。
100
1,2001,200 1 1
1,100100100
図２ ボルバキアゲノム上にマッピングしたマツノマダラカミキリからボルバキアゲノム上にマッピングしたマツノ
1,100 1,100200 図２
1,200
1,200 1 1検出されたボルバキア遺伝子。ボルバキアが持つ214の遺伝子
図２
ボルバキアゲノム上にマッピングしたマツノマダラカミキリからマダラカミキリから検出されたボルバキア遺図２
ボルバキアゲノム上にマッピングしたマツノマダラカミキリから
200
100 100200
検出されたボルバキア遺伝子。ボルバキアが持つ214の遺伝子のうち、31の遺伝子（約14％）がマツノマダラカミキリに転移1,000
伝子。ボルバキアが持つ 214 の遺伝子のうち、検出されたボルバキア遺伝子。ボルバキアが持つ214の遺伝子
1,100
1,100のうち、31の遺伝子（約14％）がマツノマダラカミキリに転移していた。
1,000
31の遺伝子（約 14％）がマツノマダラカミキのうち、31の遺伝子（約14％）がマツノマダラカミキリに転移していた。
ボルバキアゲノム上にマッピングしたマツノマダラカミキリからボルバキアゲノム上にマッピングしたマツノマダラカミキリから300図２図２
1,000
ボルバキアゲノム 200
マツノマダラカミキリから検出されたボルバキア遺伝子リに転移していた。
300200
していた。
検出されたボルバキア遺伝子。ボルバキアが持つ214の遺伝子検出されたボルバキア遺伝子。ボルバキアが持つ214の遺伝子
ボルバキアゲノム
マツノマダラカミキリから検出されたボルバキア遺伝子（1,268kb）
300
マツノマダラカミキリから検出されなかったボルバキア遺伝子（1,268kb）のうち、31の遺伝子（約14％）がマツノマダラカミキリに転移のうち、31の遺伝子（約14％）がマツノマダラカミキリに転移
ボルバキアゲノム
マツノマダラカミキリから検出されなかったボルバキア遺伝子
1,000
1,000900
マツノマダラカミキリから検出されたボルバキア遺伝子
900
していた。
していた。
400（1,268kb）
400 300 300
マツノマダラカミキリから検出されなかったボルバキア遺伝子
900
ボルバキアゲノム
ボルバキアゲノム
マツノマダラカミキリから検出されたボルバキア遺伝子
マツノマダラカミキリから検出されたボルバキア遺伝子
800 （1,268kb）
800（1,268kb） 500 500400
マツノマダラカミキリから検出されなかったボルバキア遺伝子マツノマダラカミキリから検出されなかったボルバキア遺伝子
900 900
700
600
700
600
400 400
800
500
63700
600
800 800
500 500
700 700
600 600