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国外研究动态——小麦淋雨也不易发芽,冈山大学通过基因编辑改良成功
作者:   审核:   编辑:柴岳平   上传:贾沛雯   发布时间:2020/4/14 16:47:08   信息来源:对外合作处


日本冈山大学资源植物科学研究所的佐藤和广教授与日本农业食品产业技术综合研究机构的主任研究员安倍史高等人组成的联合研究小组,利用基因组编辑技术改良小麦的特性,用较短的时间就成功开发出了在收割期即使被雨淋湿也不容易发芽(休眠期较长)的植物。
      为了改良拥有复杂基因组的小麦的特性,研究小组利用了在基因组比较简单的大麦中发现的基因信息。这种以其他植物物种的基因信息为基础,在小麦中改变重复的基因使其产生新特性的方法备受关注。相关研究成果已于7月30日发表在《细胞报告》的网络版。
      此次,研究小组使用了冈山大学在大麦中发现的与种子休眠有关的基因“Qsd1”的碱基(DNA)序列。研究发现,如果大麦中的Qsd1基因停止工作,种子的休眠时间会变长。因此,研究小组首先解码了小麦的3个基因组中分别存在的与Qsd1基因最相似的基因的碱基序列(图 1)。然后着眼于这3个基因共有的碱基序列,计划同时在这3个基因中引入突变,以延长种子的休眠时间。
      在本次研究中,研究小组利用名为农杆菌的微生物将名为CRISPR/Cas9的基因组编辑基因整合到小麦的基因组中,设法高效改变休眠相关基因的序列。最终,成功获得了3个基因全部改变的植物。另外,在使该植物与用于基因组编辑的亲本交配而形成的第三代、即孙辈,培育了拥有这3个基因变化的所有组合的植物。
      也就是说,合计培育了8种植物,包括3种3个基因中仅1个发生改变的植物,3种2个基因发生改变的植物,1种3个基因全部改变的植物,以及1种所有基因完全没有改变的植物。研究小组同时培育这些植物并收割其种子,比较了休眠时间。观察发现,3个基因全部改变的植物与其他植物相比,发芽时间明显延迟(图2的aabbdd)。即使在麦穗状态时喷水,人工形成被雨淋湿状态,3个基因全部改变的植物与没有改变的植物相比,发芽时间也明显延迟(图3)。另一方面,关于植物的大小等其他特征,所有植物均未发现明显不同。
      图1:小麦和大麦被认为是在3百万年前由共同的祖先分化而来的,小麦拥有3组、大麦拥有1组各由7对染色体构成的相似基因组。此前虽然知道大麦的第5对(5H)染色体中存在能改变种子休眠时间的Qsd1基因(○标记),但一直不知道小麦中与其拥有共同祖先的基因序列是否也具有改变种子休眠时间的作用。
     
      图2:携带A,B,D基因组的基因与发生突变的a,b,d基因的个体的种子发芽延迟时间(休眠情况)
     
     
      图3:A,B,D基因组突变的植物(左)种子休眠时间延长,发芽延迟
      ゲノム編集でコムギの特性を改良、
      収穫前の雨で発芽せず良質なコムギ生産に
      2018.9《客観日本》発表
      岡山大学資源植物科学研究所の佐藤和広教授、農研機構(国立研究開発法人農業.食品産業技術総合研究機構)の安倍史高主任研究員らの共同研究グループは、コムギの特性の改良にゲノム編集技術を利用することで、収穫時期前に雨に濡れても発芽しにくい(休眠が長い)植物体を短期間の内に開発することに成功しました。
      複雑なゲノムを持つコムギの特性の改良のため、より単純なゲノムを持つオオムギで発現された遺伝子情報が役立ちました。この手法は、他の植物種の遺伝子情報をもとに、コムギにおいて重複している遺伝子を一度に変えて新たな特性を生み出すための技術として注目されます。本研究は(2019)7月30日、「Cell Reports」電子版に公開された。
      岡山大学がオオムギで発見した種子休眠に関する遺伝子(Qsd1)の塩基(DNA)配列を使いました。オオムギのQsd1遺伝子が働かなくなると種子の休眠が長くなることがわかっていました。そこで、本研究では、まず、コムギの3つのゲノムにそれぞれ存在するQsd1遺伝子と一番似ている遺伝子の塩基配列を解読しました(図1)。そして、これら3つの遺伝子に共通する塩基配列に着目し、3つの遺伝子に一度に変異を導入して種子の休眠を長くすることを目指しました。
      図1コムギとオオムギは共通の祖先から3百年前ころ分かれたとされており、それぞれ7対の染色体からなる類似したゲノムを、コムギは3組、オオムギは1組持っています。オオムギの5番目の(5H)染色体には種子休眠を変えるQsd1があることがわかっていましたが(O印)、コムギでは同じ祖先を持つ遺伝子配列に種子休眠を変える作用があることは知られていませんでした。
      本研究ではCRISPR/Cas9とよばれるゲノム編集のための遺伝子をアグロバクテリウムという微生物を使ってコムギのゲノムに組み込んで、効率よく休眠に関わる遺伝子の配列を変えることに取り組みました。その結果、3つの遺伝子の全てが変わった植物を得ることに成功しました。さらに、その植物とゲノム編集に使った親を交配してできた子供、つまり孫の世代で、3つの遺伝子の変化について全ての組合せを持つ植物をそれぞれ作ることができました。
      3つの遺伝子の1つだけが変化した植物3種類、2つが変化した植物3種類、3つ全てが変化した植物1種類、そして全て変化がない植物1種類、計8種類の植物になります。これらの植物同時に育てて種子を収穫し、休眠の長さを比較したところ、3つ全ての遺伝子が変化した植物は他の植物に比べて明らかに発芽が遅れることが観察されました。(図2のaabbdd)。穂の状態で水を吹きかけて濡らした状態で放置し、雨濡れを人口的に起こした場合にも3つ全ての遺伝子が変化した植物では変化していない植物に比べて明からかに発芽が遅くなりました(図3)。一方で、植物の大きさなど、その他性質については全ての植物で明らかな違いは見られませんでした。


相关信息               关键词:小麦,基因,改良