農研機構と東北大学、産業技術総合研究所は、塩害水田で生育阻害を回避するため、根の張り方を制御する遺伝子(qSOR1、キューソルワン)を世界で初めてイネで発見した。塩害水田では塩による直接の害だけでなく、塩による土壌物性の変化で土壌が酸欠となり害を及ぼす。今回発見した遺伝子を制御しイネの根を土壌表面に伸長させ、酸欠状態の土中に根を張らせないことで、塩害による収量の減少を軽減できた。本成果は、地球温暖化で増大する高潮のリスクの高い日本や熱帯アジア地域の沿岸部など、塩害が問題となる地域でのイネの収量安定を目指した品種開発に大きく貢献することが期待できる。
その概略は塩害は干ばつと並び世界の農業生産に大きな被害をもたらす。例えば、2050年までに世界中で推定50%の農耕地が塩害の影響を受けると予測されている。また、近年の地球温暖化に起因する海面上昇による高潮やスーパー台風の頻発、上流域でのダム建設などの水利用による流量の減少に伴う河口地域での海水の流入により、日本をはじめ世界の多くの沿岸地域で塩害による農作物への被害が増加している。そこで現在、世界中でイネをはじめとする多くの作物で塩害に強い品種が必要とされている。
農研機構はこれまでにも、根の改良を通した干ばつに強いイネの開発に世界で初めて成功している。今回、農研機構と東北大学との共同研究により、新たに土壌表面に根を伸長させる「地表根遺伝子(qSOR1遺伝子)」を発見した。本遺伝子を用いることで、根の改良による塩害に強いイネの開発に世界で初めて成功した。特定したqSOR1遺伝子は、その導入により塩害による収量の減少を約15%改善した。本遺伝子は塩害水田で起こる土壌の酸欠状態による被害の回避に有効であり、塩害水田に適したイネの品種改良に利用できる。その他に重粘土水田や老朽化水田、排水不良水田などで問題となっている酸欠土壌での根腐れ防止に役立つと期待できる。この成果は、2020年8月17日発行の国際科学雑誌「米国科学アカデミー紀要(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)」オンライン版に掲載された。
＜関連情報＞
予算:JST戦略的創造研究推進事業「環境変動に対する植物の頑健性の解明と応用に向けた基盤技術の創出」、科研費 、運営交付金、塩害環境研究基金
＜問い合わせ先＞
研究推進責任者：農研機構次世代作物開発研究センター所長 佐々木良治
研究担当者：同フィールドオミクスユニット上級研究員 宇賀優作
東北大学大学院農学研究科学術研究員 佐藤雅志
広報担当者：農研機構次世代作物開発研究センター広報専門役 大槻寛
＜詳細情報＞
開発の社会的背景
塩害は干ばつと並び世界の農業生産に大きな被害をもたらす。例えば、世界中で2050年までに推定50%の農耕地が塩害の影響を受けると予測されている。また近年の地球温暖化に起因する海面上昇による高潮やスーパー台風の頻発により、日本をはじめ世界の多くの沿岸地域で塩害による農作物への被害が増加している。特にイネは低地で栽培することが多いため、バングラデシュやベトナムなどの熱帯アジアの沿岸部では、上流域でのダム建設などの水利用による流量の減少もあり、河口地域での海水の流入などによる塩害が頻発している。日本でも海水の流入という点では東日本大震災時に津波による塩害で東北地方では稲作がしばらくできなかったことは記憶に新しい出来事だ。このような問題を解決するため、世界中で塩害に強いイネ品種の開発が求められている。
＜研究の経緯＞
畑で起こる塩害と水田で起こる塩害は、植物に対する作用のしくみが少し異なる。畑では土中の高濃度の塩そのものが植物細胞にダメージを与えるのに対して、水田ではそのような塩自体の害に加えて、塩に由来する過剰なナトリウムイオン(Na
+)によって土壌が緊密化するなど物理的な性質が悪化し、土壌が酸欠状態となり
a)b)根腐れなどの生育不良を起こす(
図1左)。従来のイネの耐塩性研究や品種改良では、塩による直接的な害のみが対象となっており、土壌の酸欠状態には対応できなかった。
我々のグループでは、これまでに根を深くする遺伝子を特定し、干ばつ時に土壌下層の水を利用できるイネの開発を進めてきた。根の形を改良し、土壌中の環境ストレスをうまく避けることで生産性を改善するという発想の品種改良は、非常に独自性の高い研究成果だ。今回われわれは干ばつ対策とは逆に、比較的酸素の多い土壌表面近くに張る根(地表根)を主体にできれば、塩害水田で起こる土壌の酸欠の害をイネが回避できるのではないかと考えた(
図1右)。
我々はインドネシアの一部の水稲が地表根を形成することを過去に発見していた。しかし、これらの品種が塩害水田で栽培されているとの報告はなかった。本研究ではこれら品種の持つ地表根に関与する遺伝子を特定し、塩害水田でのコメ生産の改善に利用しようと試みた。
＜研究の内容•意義＞
1.イネ地表根遺伝子(qSOR1遺伝子)の同定
2.遺伝学的な手法により、地表根を形成するインドネシアの水稲(品種名 Gemdjah Beton)から地表根形成に関わる「qSOR1遺伝子」を同定した。この遺伝子は根の先端で働き、重力方向への根の伸長(
重力屈性1))に関与する。Gemdjah Betonではこの遺伝子が機能しないため、根が重力方向に伸長せず、土壌表面に根が張ることが分かった。また、Gemdjah Betonを含むインドネシアの一部の品種群のみがこのような遺伝子を持つことも明らかになった。
3.地表根を形成するイネは塩害水田で収量低下を軽減
4,
DNAマーカー選抜育種2)により、ササニシキ(地表根を形成しない一般的な水稲)のqSOR1遺伝子をGemdjah Beton由来の機能しないものと入れ替えた(
図2上段)。Gemdjah BetonのqSOR1遺伝子を導入したササニシキは地表根を形成した(
図2下段中央)。つぎにこのイネとササニシキとの収量を塩害水田(塩水濃度0.4%)と通常の水田(塩処理なし)で4年間にわたって比較した。塩水処理は東北大学大学院生命科学研究科•湛水生態系野外実験施設の水田に塩を含む地下水をくみ上げて行った。その結果、通常の水田では両者の収量に差はなかったが、塩害水田ではGemdjah BetonのqSOR1遺伝子を導入したササニシキの方がササニシキより15%以上の増収(粗玄米重、4年間の平均)となった(
図3)。本成果からGemdjah BetonのqSOR1遺伝子が通常の水田では生育に影響しないものの、塩害水田では根の酸欠を回避し生育を改善できることが明らかとなった。 5.qSOR1遺伝子と似た働きを持つ遺伝子の同定
6.遺伝子配列解析の結果、イネでqSOR1遺伝子に最も似た遺伝子配列を持っている遺伝子は我々が過去に同定したDRO1遺伝子でした。DRO1遺伝子はqSOR1遺伝子と同じように根の形を変える働きを持っている。そこでDNAマーカー選抜育種により、2つの遺伝子を組み合わせ、いろいろな根の形にイネを改良した(
図4)。2つの遺伝子が共に働くイネでは根が最も深く、両方の遺伝子が機能しないイネでは根が最も浅くなることが分かった。このように2つの遺伝子を組み合わせることで、イネの根の形を浅根から深根まで自由に変えることが可能になった。
＜今後の予定•期待＞
今回新たに同定した地表根遺伝子は塩害水田で起こる根の酸欠の回避に有効であり、塩害水田向けのイネの品種改良に利用できることが分かった。この遺伝子をササニシキに導入した場合、塩害の無い通常の水田栽培において、収量や草型への影響がほとんどなく、倒伏しやすくなるなどの栽培上のデメリットは認められなかった。なお、この地表根遺伝子はインドネシアの一部の品種しか持っておらず、他地域の水稲にはまだ利用されていない新しい素材と言え、日本を含めて世界中のほとんどのイネ品種で新たな育種利用が期待できる。
本遺伝子は、国内では高潮などによる塩害の被害軽減に役に立つほか、重粘土水田や老朽化水田、排水不良水田、春に稲わらをすき込んだ水田など、酸欠になりやすい水田における根腐れ防止にも役立つことが期待できる。また、海外においてはバングラデシュやベトナムをはじめ多くの沿岸部の湿地帯で頻発する塩害による減収の軽減に本遺伝子が寄与できると考えられる。さらに、鉄過剰などさまざまな原因によっておこる酸欠土壌でも本遺伝子は稲作生産の安定化に役立つことが期待される。
また、イネには本遺伝子の仲間が複数存在することが分かった。これらの遺伝子を組み合せることで、地表根のように塩害水田に適した根から干ばつに適した深根まで、さまざまな栽培環境に最も適した根の形に品種改良することが可能だ。このような根の改良は、今後ますます不安定化する国内外の栽培環境での稲作生産の安定化に寄与することが期待できる。さらにqSOR1遺伝子の仲間はイネ以外の多くの作物にも存在することから、国内外の水はけの悪い農地でのダイズやトウモロコシなどの畑作物の耐湿性改善にこれらの遺伝子は有効であると思われる。
＜用語の解説＞
重力屈性:植物の芽や根が重力に対して決まった方向に伸びる性質のこと。芽は重力に対して反対方向に伸びようとするのに対して、根の先端は重力と同じ方向に伸びようとする。これは植物が土壌中にある水を獲得するのに必要な性質だ。
DNAマーカー選抜育種:イネの品種間には、DNAの塩基配列に少しずつ違いがある。この違いを目印(マーカー)とすることで、交雑育種で得られた数多くの個体の中から目的の遺伝子を持つ個体を選抜することができる。この方法を用いて行う育種をDNAマーカー選抜育種という。従来の交配育種と比較し、品種開発期間を短縮できるメリットがある。
＜発表論文•引用文献＞
発表論文
Kitomi Y, Hanzawa E, Kuya N, Inoue H, Hara N, Kawai S, Kanno N, Endo M, Sugimoto K, Yamazaki T, Sakamoto S, Sentoku N, Wu J, Kanno H, Mitsuda N, Toriyama K, Sato T, Uga Y. Root angle modifications by the DRO1 homolog improve rice yields in saline paddy fields. 米国科学アカデミー紀要
https://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2005911117引用文献•引用サイト
a)農林水産省農村振興局, 農地の除塩マニュアル. 2011
b)日本土壌肥料学会, 津波関連情報(1):津波・高潮による塩害(1)
