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中国遺伝子組み換えワタの研究開発・応用の20年(その2)

2016年12月26日

郭三堆、 王遠、 孫国清、 孟志剛、 張 鋭、 周燾:
中国農業科学院生物技術研究所/国家農作物遺伝子資源・遺伝改良重大科学プロジェクト

金石橋: 全国農業技術普及サービスセンター

その1よりつづき)

1.3 除草剤耐性遺伝子組み換えワタ

 草害は、ワタ生産に影響する主要な原因の一つである。ワタ栽培地の雑草の種類は、ワタの生長に深刻な影響を与えている。除草剤と除草剤耐性ワタとの共同使用は、ワタ栽培地の雑草防止・除去の重要な対策となる。現在、除草剤耐性には主に2つの方策がある。一つは、除草剤を分解する酵素または酵素系統を引き入れ、除草剤が作用を起こす前に分解するというものである。もう一つは、除草剤の作用する標的タンパク質を修飾し、除草剤に敏感でなくするか、過剰発現によって作物が除草剤を吸収しても正常な代謝を続けられるようにするというものである。中国の科学者は、この2種の方策に対して大量の研究を行っている[27]

1.3.1 グリホサート抵抗性

 グリホサート(glyphosate)は、世界で幅広く広汎されている一種の非選択的な浸透移行性の有機リン系除草剤である。そのメカニズムは、植物株中の5-エノールピルビルシキミ酸3-リン酸合成酵素(EPSPs)の活性を競争阻害させ、芳香族アミノ酸の合成を阻害し、芳香族アミノ酸の欠乏を起こさせ、植物株を死に至らせるというものである。中国では、グリホサートに抵抗性を持つ遺伝子について大量の研究がなされ、多くの喜ぶべき進展が得られている。

 雷凱健ら[28]は2006年、土壤の全DNAからグリホサートN-酢酸転移酵素遺伝子をクローンし、その発現タンパク質の酵素学の特性を分析し、グリホサート抵抗性遺伝子組み換え作物におけるその応用のために理論的根拠を積んだ。何鳴ら[29]は、ネズミチフス菌と大腸菌のEPSP合成酵素遺伝子に対する複数の座の突然変異を通じて、突然変異のaroAをクローンし、大腸菌の中にこれを発現させた。趙特[30]は、グリホサート汚染の深刻な土壤から、グリホサートへの抵抗性の高いシュードモナス属菌株を分離し、EPSPS同源のG6遺伝子にクローンし、イネに形質転換して機能検証を行い、この遺伝子に一定の抗グリホサート活性が備わったことを発見した。朱玉[31]は、長期にわたってグリホサート汚染を受けた土壤からグリホサートに高い耐性を持つシュードモナス・フルオレッセンスG2菌株を分離した。ここからクローンしたepspsは、外国企業の特許によって保護されている保存配列と突然変異座を含んでおらず、良好な開発応用の潜在力を示している。沙紀瑩[32]は、シュードモナス・スタッツェリのゲノムライブラリーから完全な遺伝子へのクローンを行い、グリホサート濃度が150mmol/L-1であるM9液体の培地での良好な生長を実現した。この遺伝子は、グリホサート抵抗性遺伝子組み換え作物の生育のための遺伝子材料となる可能性を持っている。劉柱[33]は、グリホサートによって極度に汚染された土壤からグリホサートへの抵抗性が極めて高い菌HTG7を分離した。この菌株は、グリホサート濃度が900mmol·L-1のMops制限培地上での生長が可能である。ここから全長1350bpでEPSP合成酵素をコーディングする遺伝子をクローンする。このEPSP合成酵素遺伝子とすでに発表されていたaroAは、ヌクレオチドレベルではほとんどいかなる同源性を持たない。タンパク質の配列においても、すでに発表されていた微生物来源の22種のEPSP合成酵素との同源性は46%以下である。さらにエラープローンPCR法を通じて、このEPSP合成酵素のカギとなる活性座を見つけ、中国の独自の権利を持った遺伝子組み換えグリホサート耐性作物の生育に向けて遺伝子資源を提供した。童旭宏ら[34]は、陸地綿からEPSPSをクローンし、この遺伝子に組織特異的発現分析を行い、グリホサート耐性ワタ遺伝資源の創造に理論的土台を提供した。程海剛ら[35]は、ワタ栽培地間の雑草イチビからepspsをクローンし、酵母の形質転換を通じて、獲得されたepspsが生物学的機能を持つことを証明した。その後、中国農業科学院生物技術研究所の郭三堆課題グループは、この遺伝子形質転換ワタから、良好なグリホサート抵抗性を備えたワタ株をスクリーニングした。郭三堆課題グループはさらに、中国農業科学院生物技術研究所の林敏課題グループと協力し、林敏課題グループがグリホサート極度耐性微生物からクローンしたグリホサート耐性新型EPSP合成酵素GR79とN-アセチル転移酵素GATにコドン改変と遺伝子構造最適化を行い、タバコとワタの形質転換を通じて、グリホサート抵抗性遺伝子の抵抗性を初期的に検証し、グリホサートに対して比較的強い抵抗性を持ったグリホサート抵抗遺伝子ダブル組み換えワタ材料を獲得した[36-37]

1.3.2 その他の除草剤への抵抗性

 除草剤2,4-Dは、植物のオーキシンに類似したものである。これまでの研究では、土壤細菌Alcaligene eutrophusからtfdaが分離されている。この遺伝子がコーディングする2,4-Dモノオキシゲナーゼは、2,4-Dを2,4ジオ基礎フェノールに分解することができ、植物に対するその分解物の毒性は2,4-Dの100分の1である。山西省綿花研究所の陳志賢らは、オーストラリアCSIROと中国農業科学院生物技術センターと協力し、tfdaを「晋綿7号」や「冀合321」などのワタ品種に導入し、その後代に対して農地での農薬抵抗性鑑定を実施し、2,4-Dに対する遺伝子組み換え系統の耐性が大規模農地での使用濃度を上回ったことを示した[38]。中国農業科学院綿花研究所は、中国科学院上海植物生理研究所と協力し、除草剤グルホシネートのbarをワタの主要栽培品種に導入し、段階的な成果を得た[39]。張磊[40]は、精密なポジショニングを通じて、イネからbelをクローンした。この遺伝子は、ベンタゾンとスルホニルウレア系除草剤に抵抗性を持つ。ブロモキシニル (bromoxyril)は、除草剤buctrilの活性成分であり、その作用メカニズムは、光合成の電子伝達の阻害である。張金文ら[41]は2006年、ニトリラーゼをコーディングする遺伝子bxnを臭鼻菌からクローンし、大腸菌内での発現を通じて、ブロモキシニルを無毒な物質に分解できることを証明した。アセト乳酸合成酵素(ALS,EC2.2.1.6)は植物中で、分岐鎖アミノ酸の生物合成を触媒するもので、スルホニルウレア系除草剤の作用標的となっている。宋貴生ら[42]は2007年、イネ中からalsをクローンし、タバコの形質転換を行い、遺伝子組み換え株の除草剤耐性が対照株よりも50mg/L-1高いことを発見した。盧宗志ら[43]は2009年、雑草ミズアオイからalsをクローンし、除草剤ベンスルフロンメチルに対する農薬耐性ミズアオイの抵抗性は第197座の突然変異に関係している可能性があるとの研究結果を得た。

1.4 耐病性遺伝子組み換えワタ

 ワタの病害は、ワタ生産に影響する主要な原因の一つである。中国のワタ産業を悩ませる主要な病害としては黄萎病が挙げられる。ワタ黄萎病は、黄萎病菌が土壤からワタ株に伝播・感染し、維管束の疾病を引き起こす真菌性病害である。危害が深刻で、分布範囲が大きく、宿主種類が多く、生存期間が長いなどの特徴を持ち、ワタの大量の減産さらには全滅を引き起こす可能性もあり、ワタの「がん」として知られる。黄萎病を代表とする主要病害に対しては、伝統的な育種の方法で耐病性品種を育てる、農薬によって防止・対処するなどの方法があるが、こうした従来の方法は効果が薄く、育生サイクルが長い、環境汚染が深刻であるなどの問題もある。このため近年、中国の研究人員は、バイオテクノロジーの角度から、ワタ黄萎病抵抗性遺伝子に対する大量の研究を行い、重要な進展を実現してきた。

 高巍[44]は、海島のワタ品種「海7124」を研究材料とし、比較プロテオーム解析の方法を通じて、「海7124」の根系における黄萎病菌の感染後、水処理との平行対照と比べて発現量に違いの出たタンパク質を188個見つけた。これらのタンパク質は、黄萎病菌の進入に対するワタの呼応に共同で参画した。徐理[45]は、黄萎病に抵抗性を持つ海島ワタ「海7124」の黄萎病菌接種後のサプレッションサブトラクティブハイブリダイゼーションcDNAライブラリーを構築し、大規模シークエンシングのRNA-Seq技術を通じてワタ抗黄萎病のメカニズムを研究した。遺伝子発現分析を通じて、ワタの黄萎病抵抗に関する多くの遺伝子を獲得し、そのうち一つのWRKY類転写因子に対して詳細な機能研究を行った。孟憲鵬[46]は、2つの海島綿のERF転写因子遺伝子をクローンで獲得し、植物に形質転換した後、その抗病関連機能を研究した。その結果によると、遺伝子組み換えタバコにおいては、海島綿ERF転写因子は、タバコのPR遺伝子の発現を増強することができる。遺伝子組み換えワタにおいては、キチナーゼ遺伝子とβ-1,3-グルカナーゼ遺伝子、PR遺伝子などワタの耐病性に関連する遺伝子の発現を増強することができる。このことからは、海島綿のERF遺伝子をワタに導入して過剰発現させることによって、下流の耐病性に関連する遺伝子の発現を効率的に促進することができることが推測される。すでに得られた遺伝子組み換えワタの一部の幼苗に対して黄萎病菌を感染させると、T0EREB1組み換えワタの幼苗の耐病能力が対照を上回ったことがわかった。上述の研究からわかるのは、海島綿ERF族遺伝子の新たな仲間であるEREB1/2が、耐病性関連遺伝子の発現の調整において重要な役割を果たし、遺伝子組み換えタバコとワタにおいて過剰発現したEREB1/2が、植物株の体内の耐病性関連遺伝子の発現を有効に増強し、遺伝子組み換え植物株の耐病能力を高めるということである。張文蔚[47]は、黄萎病に高い耐性を持つ陸地綿の新系統である「中植綿KV1」を材料として、バーティシリウム・ダーリエの高病原性落葉型菌株V991を接種後0—96hのワタ株幼根の全RNAについて、正逆両方向のサプレッションサブトラクティブハイブリダイゼーションライブラリーを構築し、シグナル強度の差異が明らかな147個のクローンをスクリーニングし、黄萎病菌感染初期の陸地綿の耐病性関連遺伝子の発現プロファイルを構築し、GhUbI1とGhEGGhSCFが陸地綿の黄萎病への抵抗の過程で重要な役割を果たすことを証明した。趙付安[48]は、SSH技術を採用して、トランスクリプトームのレベルから、陸地綿の遺伝子の差異の発現を検討し、2-DE技術を利用して、プロテオームレベルから、ワタ近縁野生種であるGossypium thurberiのタンパク質の差次的発現を検討し、これを土台として、2つの陸地綿の構造的耐性遺伝子GhDIRGhSUMOをクローンし、Gossypium thurberiの根のGPIPをクローンし、さらにGossypium thurberiの根の4つのTIR-NBS-LRR類耐病性遺伝子類似物をクローンした。この7つの遺伝子のクローンは、その耐病機能の研究にさらなる土台を築いた。倪萌ら[49]は、葉身針接種法を採用し、hpa1xoo組み換えワタとワタ黄萎病菌の相互作用によって産出される微過敏感耐病反応を細胞学の面から分析し、細胞顕微観察を通じて、hpa1xoo組み換えワタT-34と非遺伝子組み換えワタは、耐病性の表現型の面で明らかな差異を持ち、hpa1xoo組み換えワタは非遺伝子組み換えワタに比べてより強い耐病性を持つことを示した。

1.5 繊維品質改良遺伝子組み換えワタ

 ワタ繊維は、ワタ生産量の形成する主要な部分であり、その品質は経済的な価値を決定する。生産の実践においては、高収量ワタは品質が高くなく、高品質ワタは生産量が高くないという状況が、ワタ栽培産業の発展を制限する主要な原因の一つとなっている。紡織工業の絶え間ない発展に伴い、ワタ繊維の品質に対して新たな要求が出されるようになり、伝統的な遺伝育種技術はすでに、生産の実践においてワタの生産量と品質の間に存在する矛盾を解決できなくなっている。遺伝子工学技術を利用してワタ繊維の発育に関連する遺伝子をワタに導入し、ワタ繊維の生産量と品質を高めることは現在、ワタの増産と品質改良の主要な手段となっている。同時に、ハイスループットな遺伝子クローン・発現分析技術の絶え間ない発展に伴い、ワタ繊維の生産量と品質に関連する大量の遺伝子と発現調節エレメントが検証され、ワタへの初期的な応用が行われている。

 発表によると、ワタ繊維増産遺伝子は主に、ワタ種子の発育とIAAなどのホルモン代謝と関連している。李徳謀ら[50]は、GhASN-Likeをワタに導入し、遺伝子組み換え株の1株当たりのボール数とボール1個当たりの種子数を高め、実綿と繰綿の生産量を高めることに成功した。裴炎ら[51]は、ワタ繊維の細胞特異性のプロモーターFBP7を利用し、IAA合成遺伝子iaaMのワタ内での発現を駆動した。ワタ繊維の発育の初期段階において、胚珠表面のIAAの含有量を急速に高め、繊維に生長する細胞の数量を増やした。連続4年の生産量測定によると、遺伝子組み換えワタの繊維生産量は、対照を15%以上上回った[52]

 ワタ繊維の品質と紡織工業における応用とは密切に関係しており、主に、ワタ繊維の長さや太さ、強度、色沢などの指標にかかわる。遺伝子工学技術を利用し、ワタ繊維の発育の調節にかかわる遺伝子をワタに導入し、ワタ繊維の品質を高めることはすでに、初期的な進展を実現している。李文彬ら[53]は、ワタ繊維の特異性のプロモーターを利用し、インドールジオキシゲナーゼ(bec)遺伝子のワタ内での発現を駆動し、遺伝子組み換えワタ繊維に特殊な色を獲得させた。左開井ら[54]は、GbAnn9をワタに導入し、遺伝子組み換えワタの繊維長を対照材料より2-3.5mm伸ばし、繊維強度を0.3-3.3CN/tex増加させた。夏桂先ら[55]は、ワタのフェニルプロパン類化合物リグニン合成遺伝子GhLIN2をワタに導入し、遺伝子組み換えワタ繊維内のリグニンの含有量を増加させ、ワタ繊維の長さや細さ、強度をいずれも大きく向上させた。李暁栄ら[56]は、35Sプロモーターを利用して、ワタUDPグルコースピロホスホリラーゼ遺伝子GhUGP1のワタ内での発現を駆動した。獲得された遺伝子組み換えワタ材料の繊維の長さは対照を18.5%上回り、破断強度は31.85%高まった。

 このほかワタ繊維細胞の発育メカニズムに対する分析を通じて、ワタ繊維の品質にかかわる多くの候補遺伝子が分離・獲得された。劉進元ら[57]は、ワタ繊維の可逆的グリコシル化プロテアーゼ遺伝子をクローンによって獲得した。この遺伝子は、ワタ繊維内の多糖物質蓄積の制御を通じて、ワタ繊維の品質をより高めることができる。李学宝ら[58]は、ワタ繊維の特異性を発現させるアクアポリン族遺伝子GhPIP2;6をクローンによって獲得した。その転写物は主に、伸長期のワタ繊維内で大きく発現される。酵母中の発現の研究を通じて、細胞の長さを1.3—1.47倍に伸ばすことができることがわかった。朱玉賢ら[59]は、ワタ繊維の伸長と密接にかかわるβチューブリン遺伝子をクローンによって獲得した。ワタ繊維の伸長期におけるこの遺伝子の高発現は、ワタ繊維長の発育と密切に関係している。

 ワタ繊維の発育に関連する遺伝子の精確な位置における発現の実現にあたっては、ワタ繊維の特異性発現プロモーターの分野の研究も重要な進展を獲得している。郭三堆ら[60]は、ワタの生殖器官において優性発現するプロモーターArf1を分離・獲得した。このプロモーターは、ワタのADPリボシル化因子遺伝子のプロモーターとなる。レポーター遺伝子GUSと融合した後、花粉管経路法を利用してワタを形質転換し、レポーター遺伝子は、遺伝子組み換えワタの生殖器官において高発現する。張献竜ら[61]は、ワタ繊維においてとりわけ効率的に発現するファシクリン様アラビノガラクタンタンパク質遺伝子(GhFLA1)プロモーターをクローンによって獲得した。このプロモーターは、ワタ繊維発育の0—20dにおけるGUSレポーター遺伝子の高発現を駆動できる。

1.6 早期老化や耐湿などその他の形質や特殊用途にかかわる遺伝子組み換えワタ

 現在生産に応用されている高収量・高品質のワタ品種はいずれも、早期老化という特徴を持っており、このことは、高収量・高品質のワタ品種の普及・応用を制約している。遺伝子工学技術を利用してワタの生長発育過程における早期老化現象を遅らせることは、早期老化の特性を持つワタの高収量品種の育生と普及・応用に重要な意義を持っている。李静ら[62]は、プレニルトランスフェラーゼ遺伝子iptをクローンによって獲得した。この遺伝子がコーディングするタンパク質は、サイトカイニンの生合成経路におけるカギとなる酵素である。この遺伝子を早期老化型の陸地綿品種「中綿所10号」に導入し、遺伝子組み換えワタに対する葉緑素とサイトカイニンの含有量の測定と形態観察を行うと、遺伝子組み換えワタの早期老化形質の遅延を実現できることがわかった。中国南方の湿度の高い、または雨水の多い地方では、耐湿性と冠水耐性が低いというワタの特性から、雨季が来ると、コットンボールの大量の落下による減産がしばしば引き起こされ、ワタ栽培業の発展が妨げられている。遺伝子工学技術を利用して冠水耐性遺伝子をワタに導入し、冠水耐性ワタの新材料を育てることは、ワタの安定した高収量を保証することができるだけでなく、その他の地区の冠水耐性のないワタを冠水耐性材料として育て、遺伝育種により豊かな資源材料を提供することとなる。中国農業科学院生物技術研究所作物分子育種課題グループは、ビトレオシラ由来のヘモグロビン遺伝子(vgb)をコドン最適化設計後にワタに導入し、冠水耐性の高い遺伝子組み換えワタ新材料を育てた。この材料は、地下部分が閉じた池内でよく育ち、対照材料と比較して20%以上の増産を実現した[63]

 上述の異なるタイプの遺伝子組み換えワタの獲得は、中国のワタの遺伝資源を大きく豊かにし、中国のワタの育種研究を促進した。

その3へつづく)

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※本稿は郭三堆; 王遠; 孫国清; 金石橋; 周燾; 孟志剛; 張鋭「中国転基因棉花研発応用二十年」(『中国農業科学』第48巻第17期,2015年、pp.3372-3387)を『中国農業科学』編集部の許可を得て日本語訳・転載したものである。記事提供:同方知網(北京)技術有限公司


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