イネの基本栄養成長相を支配する遺伝子Ehd1が感光性に及ぼす効果

2015 年 7 月 10 日受理 連作責任者：奥本 裕（[email protected]）

イネの基本栄養成長相を支配する遺伝子

Ehd1 が感光性に及ぼす効果

伏見栄利奈

1）

・齊藤大樹

1）

・伊藤 真

1）

・吉竹良洋

1）

・浅見武人

1）

・

徐 銓

1）

・泉はるか

1）

・横尾敬行

1）

・谷坂隆俊

2）

・奥本 裕

1） 1）京都大学大学院農学研究科 （〒 606-8502 京都市左京区北白川追分町） 2）吉備国際大学地域創成農学部 （〒 656-0484 兵庫県南あわじ市志知佐礼尾 370-1） 要旨: イネにおいて， Ehd1 は基本栄養成長性に関与する遺伝子であり，出穂期制御の中心的な役割を担う遺伝子 であることから，Ehd1 と他の出穂期遺伝子の相互作用を解明することは重要である．しかし，これまでの研究で は遺伝背景の異なる材料を用いているため，出穂期遺伝子間の相互作用の評価は困難であった．本研究では銀坊 主にγ線を照射して得られた出穂期突然変異系統とそれらを相互交配して作出した多重変異系統を含む 31 系統を 供試した．全供試系統の短日条件での到穂日数（DTHSD）を基本栄養成長性の指標とするともに，短日条件と長日 条件での到穂日数の差（PSPL-S）を感光性の指標とした．Ehd1 をもつ系統では PSPL-Sの値に関わらず DTHSDは一 定であったのに対し，ehd1 をもつ系統では PSPL-Sが大きくなるにつれて DTHSDが小さくなる傾向が認められた． このことから，Ehd1 をもつ系統は Ehd1 の基本栄養成長相（BVP）短縮効果により最短日数で出穂するため，感 光性遺伝子が基本栄養成長性に及ぼす効果が被覆されるのに対し，ehd1 をもつ系統では出穂促進効果が喪失する ため，感光性遺伝子の BVP への効果が顕在化すると考えた． キーワード：出穂期遺伝子，基本栄養成長性，感光性

緒言

イネは世界の半数以上の人々が主食としている重要な作 物である．その栽培地域は原産地である低緯度地域から北 海 道 の よ う な 高 緯 度 地 域 ま で 広 範 囲 に わ た る（Khush 1997）．短日植物であるイネでは，短日条件下で出穂が促 進され，長日条件下で遅延する．それぞれの栽培地域の栽 培条件（特に日長条件）は多様であることから，イネの出 穂特性を理解し，多様な日長条件に適した出穂特性をもつ 品種を育成することが，イネの安定生産に重要である． 出穂特性を評価する指標として，イネが最短で出穂に至 るまでの日数，すなわち高温・短日条件下での到穂日数で 表される基本栄養成長性と長日条件下での出穂遅延度で表 される感光性がある．基本栄養成長性と感光性は遺伝的に 支配されており，両者の組み合わせによって品種に多様な 出穂特性を生み出される（谷坂ら 1992）． 近年の分子遺伝学的研究から，多くの出穂期遺伝子が同 定され，出穂期の遺伝的制御機構が明らかになってきた． とりわけ，短日および長日の両条件下でフロリゲン様遺伝 子である Hd3a や RFT1 の発現を誘導し，出穂を促進する Early heading date 1（Ehd1）はイネの出穂期制御において 中心的な役割を果たしている．したがって，Ehd1 と他の 出穂期遺伝子との関係を明らかにし，出穂特性における相 互作用を解析することは，イネの出穂特性の解明に極めて 重要である． イネ品種銀坊主にγ線を照射して得られた晩生突然変異 系統 HS169 は，Ehd1 座のエキソンへのトランスポゾン mPing の挿入により Ehd1 の機能を完全に喪失している （Nishida et al. 2001, Saito et al. 2009）．そのため，短日条件 でも長日条件でも，原品種と比べて出穂が遅延する．以前 に報告された Ehd1 座の機能喪失型対立遺伝子は，1 アミ ノ酸置換による機能不全であるのに対し（Doi et al. 2004）， HS169 のもつ Ehd1 座の変異遺伝子は mPing の挿入により 機能を完全に喪失している（Saito et al., 2010）．当研究室 では HS169 と同様に銀坊主から誘発された多数の出穂期 突然遺伝子の塩基配列を決定してきた（Yano et al. 2000, Nishida et al. 2001, Yuan et al. 2009, Saito et al. 2009, Yokoo et al. 2014, Yoshitake et al. 2015）．このことにより，出穂期突

然変異系統を相互に交配して作出した F2集団から目的の 遺伝子型をもつ系統を容易に識別することが可能となっ た．同一の遺伝的背景に誘発された突然変異系統間の交雑 によって育成された多重遺伝子変異系統は，全て銀坊主を 遺伝的背景にもち，遺伝子間相互作用を解析するのに最適 な材料である．本研究では，これらの系統の出穂特性を調 査することによって，特に Ehd1 座が感光性遺伝子座に及 ぼす効果を明かにした．

材料および方法

当研究室で保有する出穂期突然変異系統，HS110（hd1）， HS112（se14），HS169（ehd1），HS276（ef7）および X61（se13） はいずれも銀坊主に誘発された 1 遺伝子突然変異である． 19 作物研究 61：19 − 22（2016）

Copyright 近畿作物・育種研究会 （The Society of Crop Science and Breeding in Kinki, Japan）

また，銀坊主と愛国（銀坊主の自然突然変異品種）との交 雑より作出された Ghd7 座に劣性の不感光性対立遺伝子を もつ HEG2 を Ghd7 の劣性変異系統として用いた．これら の 6 系 統 の 相 互 交 配 に よ っ て 15 系 統 の 二 重 変 異 系 統 （DMG），8 系統の三重変異系統（TMG）および 1 系統の 四重変異系統（MMG）の合計 24 系統に原品種銀坊主およ び交雑親の 6 系統を加えた 31 系統を供試した（Table 1）． 自然日長条件下の栽培では，2014 年 5 月 7 日に播種し， 2014 年 5 月 28 日に京都大学農学研究科附属京都農場（北 緯 35°01 ，東経 135°47 ）に株間 10cm，畝間 30 cm（3 反復， 各 12 個体）で移植した．長日条件（14.5 時間明期 /9.5 時 間暗期），および短日条件（10 時間明期 /14 時間暗期）下 の 栽 培 で は，2014 年 5 月 8 日 に 50 穴 ト レ イ（1 穴 6 × 6cm）に播種し，播種後 2 週間後に 1 穴当たりの栽植個体 数を 5 個体となるように間引きした．実験は，3 反復（穴） ／系統の完全無作為化法で実施した．個体において最初に 穂が出た日をその個体の出穂として記録した．短日条件下 における到穂日数（Days to heading under short day length：

DTHSD）を基本栄養成長性の尺度，長日条件と短日条件で の到穂日数の差（PSPL-S）を感光性の尺度とした．

結果および考察

銀坊主の自然日長下，長日条件下および短日条件下にお ける到穂日数はそれぞれ 109.2 日，96.5 日，54.9 日であった． 出穂期突然変異系統間には，銀坊主に比べて正負両方向に 大きな変異があり，その範囲は長日条件下で最大で（52.5 ∼ 140 日以上），次いで自然日長下（57.5 ∼ 141.5 日），短 日条件（48.1 日∼ 89.6 日）であった（Table 1）． さらに，Ehd1 座の対立遺伝子が DTHSD と PSPL-S に及ぼ す影響を調査するために，前者を縦軸に，後者を横軸にとっ て供試全系統の散布図を描いた（Fig. 1）．その結果，Ehd1 をもつ系統群では DTHSDが小さく PSPL-Sの大小に関わらず， ほぼ 一 定 の 値 を 示し た．一 方，ehd1 をもつ 系 統 群 で は PSPL-Sが大きくなるにつれ，DTHSDが小さくなった（Fig. 1）． イネの発芽から出穂までの期間は，発芽後一定期間日長 に 応 答 し な い 基 本 栄 養 成 長 相（BVP，Basic Vegetative Phase）， 日 長 に 反 応 す る 感 光 相（PSP，Photoperiod Sensitive Phase），花芽分化後，穂を形成する生殖成長相（RP， Reproductive Phase）の 3 つに分けられる．RP は品種間で ほぼ一定と考えられているが，BVP と PSP の長さは品種 に よ っ て 異 な り 遺 伝 的 に 支 配 さ れ て い る（Vergara and Chang 1985）．イネは短日植物であるため，短日条件下で 長日条件下に比べて出穂が促進され到穂日数が短縮され る．このとき，短日条件下では長日条件下に比較して PSP が短縮される．RP が一定とすれば，長日条件下での到穂 日数の遅延度，すなわち感光性は，短日条件下と長日条件 下での PSP の期間の長さの差異（PSPL-S）である． Ehd1 は短日および長日の両条件下で BVP を短縮する働 きをもち，Ehd1 をもつ系統群は短日条件下で早生となる が，約 45 日以下の極端に早生の系統は認められず短日条 件下での到穂日数における系統間差異は小さかった．した がって，これらの系統では，Ehd1 座の強い出穂促進効果 のため BVP がほぼ最小になっているのかもしれない．一 方，ehd1 をもつ系統群においては感光性が大きくなるに つれ，短日条件下での到穂日数が小さくなる傾向が認めら れた．ehd1 をもつ系統群の BVP が Ehd1 の機能喪失のた め一定であり感光性遺伝子が BVP に及ぼす効果がないと すれば，感光性が強い系統では幼穂発育自体も促進されて RP の長さが短縮されていることになる．しかし，感光性 遺伝子が短日条件下で RP を短縮するなら，Ehd1 をもつ 系統でも同様に感光性が大きくなるに従って出穂までの日

Hd1 Se13 Se14 Ehd1 Ef7 Ghd7 ND LD SD

Gimbozu + + + + + + 109.2 96.5 54.9 HS110 m + + + + + 78.9 77.6 58.9 HS112 + + m + + + 87.2 83.3 52.8 HS169 + + + m + + 120.2 109.5 77 HS276 + + + + m + 120.2 105.9 61.9 HEG2 + + + + + m 81.4 83.6 51.3 X61 + m + + + + 61.3 60.1 54.6 DMG1 m m + + + + 62.5 58.2 57.5 DMG2 + m + m + + 90.4 99.1 86.1 DMG3 m + + m + + 97.9 92.5 89.6 DMG4 + m + + + m 60.4 54.2 50.1 DMG5 m + + + + m 72 70.7 54.9 DMG6 + + + m m + 141.5 >140 88.4 DMG7 m + + + m + 85 80.9 66.3 DMG8 + + + + m m 92.3 81.5 54.5 DMG9 + m + + m + 92.3 81.5 54.5 DMG10 + + + m + m 104.8 100.6 80.7 DMG11 m + m + + + 72.1 68.7 55.9 DMG12 + m m + + + nd 57.3 53.7 DMG13 + + m + + m 69.8 70.8 48.1 DMG14 + + m m + + 107.2 101.1 77.7 DGM15 + + m + m + 114.1 98.8 69.7 TMG1 m + + m m + 101 88 81.9 TMG2 m m + m + + 85.9 85.6 85.5 TMG3 m + + m + m 88.8 92 87.9 TMG4 + + + m m m 115.8 103.3 84 TMG5 m m + + + m 57.5 52.5 52.1 TMG6 + m + m m + 141.1 >140 85.7 TMG7 + m + m + m 88.8 83.7 66.6 TMG8 + m + + m m 83.7 83.7 66.6 MMG1 m m m + + m 88.4 89.3 89.4 Line Genotype 1) Days-to-heading2)

Table 1 Genotype and days to heading of 31 heading time mutant lines.

1） + represents dominant allele (wild type) and m represents recessive allele (mutant type).

2） Lines were grown under natural day length condition (ND), long day condition (LD ; 14.5h) and short day condition (SD ; 10h). nd：not determined

Figure 1 Effects of Ehd1 allele on the relationship between basic vegetative growth (DTHSD)

and photoperiod sensitivity (PSPL-S).

y = -0.3564x + 88.529 R² = 0.722 0 20 40 60 80 100 0 10 20 30 40 50 DTH SD PSPL-S 作物研究 61 号（2016） 20

数が減少するはずである． 以上のことから，ehd1 の背景においては感光性遺伝子 自体の BVP 短縮効果が顕在化している可能性が高い．今 後は，ehd1 をもつ系統群の生育相を詳細に調査すること により，Ehd1 と他の出穂期遺伝子との相互作用の解明な らびに感光性遺伝子が BVP に及ぼす効果の解明に繋げて いく．

引用文献

Doi, K., T. Izawa, T. Fuse, U. Yamanouchi, T. Kubo, Z. Shimatani, M. Yano, and A. Yoshimura (2004) Ehd1, a B-type response regulator in rice, confers short day promotion of fl owering and controls FT-like gene expression independently of Hd1. Genes Dev. 18: 926-936.

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21 イネの基本栄養成長相を支配する遺伝子 Ehd1 が感光性に及ぼす効果

Ehd1, which controls basic vegetative phase of rice, affects photoperiod sensitivity

Erina Fushimi1）_{, Hiroki Saito}1）_{, Makoto Itoh}1）_{, Yoshihiro Yoshitake}1）_{, Takeshi Asami}1）_,

Quan Xu1）_{, Haruka Izumi}1）_{, Takayuki Yokoo}1）_{, Takatoshi Tanisaka}2）_{, Yutaka Okumoto}1） 1） _{Graduate School of Agriculture, Kyoto University}

（Oiwakecho, Kitashirakawa, Sakyoku, Kyoto, 606-8501, Japan）

2） _{Department of Agricultural Regional Vitalization, Kibi International University}

（370-1, Shichisareo, Minamiawaji, Hyogo, Japan 656-0484）

Summary: Early fl owering 1 (Ehd1), which is one of the most important genes controlling basic vegetative growth (BVG),

plays critical roles in regulation of heading time. Therefore, it is important to analyze the interaction among Ehd1 and other heading-time genes. However, studies on the interaction of Ehd1 and other heading-time genes have been conducted with the different genetic background. In this study, single mutant lines induced by gamma-ray irradiation of the japonica rice cultivar Gimbozu were used with multiple mutant lines raised from the intercrossing of those single mutant lines. Thus, we could evaluate the interaction of Ehd1 and other heading-time genes under the same genetic background. Days to heading under short day (DTHSD) was regarded as the BVG and the difference between days to heading under long day and short day (PSPL-S) was

regarded as photoperiod sensitivity (PS). In lines with Ehd1 allele, DTHSD was constant regardless of PSPL-S. In lines with ehd1

allele, DTHSD was getting smaller as PSPL-S become large. Ehd1 functions as the promoter of heading-time under short day

condition, any effects of PS alleles on BVP might be masked by Ehd1 allele. Thus, the loss of function of Ehd1 allele can enable to exhibit the potential function of PS allele on BVG.

Key Words：Flowering time gene, Basic vegetative growth, Photoperiod sensitivity

Journal of Crop Research 61：19-22（2016） Correspondence： Yutaka Okumoto （[email protected]） 作物研究 61 号（2016）