博 士 （ 農 学 ） 上 床 修 弘
学位論文題名
Genetic studies on adaptive diversification of flowerlngtimelnriCe
（イネ出穂性の適応分化に関する遺伝育種学的研究）
学位論文内容の要旨
作物育種では、自然界に存在する遺伝的変異を予測可能な形で活用し、作物の形質を改良 する。そのため、遺伝変異の起源と維持に関する遺伝機構を理解することは作物育種に船い て重要な意義をもつ。農業的有用形質はしばしば量的遺伝を示し、多数の遺伝子による支配 を受ける。さらに量的遺伝子の多くは、遺伝子間で互いに作用しあうことに加え、環境変化 によって大きく影響を受けると考えられており、このことが量的形質の遺伝的理解を複雑に している。しかしながら、遺伝子間の交互作用（エピスタシス）および遺伝子・環境間相互 作用(GED が適応分化に関わる形質変異の鍵になる可能性が認識される一方で、実際の生物 集団においてエピスタシスおよぴGEI がもつ適応的形質への影響について、知見は乏しい。
こうした現状をふまえて、本研究は地域適応性に関わるイネの出穂に着目し、出穂に及ばす エピスタシスとGEI の影響を明らかにするとともに、それらの地域適応への関連を理解する ことを目的とした。本研究では、遺伝子、エピスタシスおよぴGEI の効果を厳密に評価する ため、日本型栽培イネ台中65 号(T65 ，Otyza sativa ssp. japonica) の準同質遺伝子系統(NIL) をす べ て の実 験 にお い て 供試 し た。本 研究で得 られた結 果は、以 下に要約 される。
1 ） イネ の 出穂 は 感 光性 (PS) 、 基本 栄 養生 長性 (BVG) およ び適日長 (OP) の発育的 要素 によって決定される。既報のSel 、Efl 、m‑Efl は、各々感光性、基本栄養生長性およびEfl の効果変更に関わることが知られ、これらの3 遺伝子は日本在来品種の地域適応性に関連 すると推測される。これら3 遺伝子の異なる発育的要素に及ぼす影響を評価するために、
合計 6 対立遺伝子で可能な8 組合せのNILs を作出して、5 日長条件および 2 温度条件の下 で到穂日数を調査した。到穂日数は日長時間りを用いて、j(x) ax2 十ぬ十 c の日長反応曲 線で表すことができる。この 2 次回帰分析から、8NILs に韜けるPS (2a) 、BVG (c̲b214a) およびOP (‑bl2a) を推定した。3 遺伝子座と温度を要因とした分散分析の結果、3 遺伝子 座内の効果だけなく、遺伝子座間のエピスタシスおよび GEI （遺伝子x 温度）もPS 、BVG およびOP を有意に変動させて日長反応パターンを制御することが明らかとなった。した がって、イネの出穂においては、関与遺伝子の相加的効果だけでなくエピスタシスおよび GEI も多様な地域適応性に大きく貢献することが示唆された。
2 ）栽培および野生イネ系統には、出穂性に関わる異なる劣性の感光性遺伝子が第 6 染色体
のモチ(wx) 座近傍に検出される。その1 つse‑pat は、インM 型栽培品種Patpaku (ssp. indica)
から見出され、札幌の自然日長（43N ）下で出穂を遅延させる。多年生野生イネW593 (Oryza
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rufipogon)が 保持す るen‑＆ ´はモチ 座近傍 に座乗す るが、5e0甜よ り著しく出穂を遅延さ せる 。類似 した領域 の遺伝 子が多様 な表現 型をもた らせる原 因を調 査するため、NILsを用 いて 遺伝的 解剖を行 った。2遺伝子（開0甜およびピ門ー＆´）を含む各々の領域を細分化し たところ、ぷP0甜では、3つの連鎖したQTLs（心珊´，心）F五2，舛）F轟コ）、他方、e門也J では2っの 連鎖し たQTLs（＃ 旧臣t弘ザ圧5）が 出穂に影 響を与え た。こ れらQTLsの うち、
舛）F轟2（弘晒匿のおよぴ弘り弧3（舛）F臣5）の候補遺伝子は、シロイヌナズナのF丁遺伝子 のホ モ ロ グで あ るRF口 お よ び口 め ロと推定 された 。これらQTLsの効果 を比較し た結果 、 RFnを 含む 舛M五2（＃ ）F轟 のがJP0甜の主 要因子 と考えら れた。 ところが 、胃めロ が座乗 する ，g併砥3および心 晒臣5では、 必H砥3が 早生効果を示すのに対し＃）F臣5は晩生効果を 示し た こ とか ら 、PaゆakuとW593の 間 で対 立 遺 伝子 の 分 化が 起 きている と考えら れた。
この ような 複合遺伝 子の構 築を詳し く理解 するため 、JP0甜 の舛）F轟´、舛）F轟2およぴ 弘田 臣3につ い て 異 なる 遺 伝 子組 合 せ をも つ6MLsを 作出 し 、 短日・ 長日条件 下で到 穂日 数を 調 査 した 。 そ の 結果 、 こ れら 連 鎖 した3つ のQTLsの 間 に は有意 なエピス タシス およ ぴGEIが 存在 し た 。 また 、 分 子系 統 学 的解 析 か ら、RFnは 月 め 口よ り 速 い 速度 で 進 化し てお り、RF襾 と風カロ の遺伝 子間で組 換えが 起きてい ること が分かっ た。したがって、複 合遺 伝 子 では 、 連 鎖 したQTLs自 体の 変異や遺 伝的組 換えによ ってエ ピスタシ スも変 化し て、多様な表現型の出現が可能になると考えられた。
3）アフリカイネ（W025，〇げ甜ガめビ″鰯ロ）がもつ馳−gぬは、モチ座近傍に座乗するものの、
ぷP0甜とは異 なり不完 全優性 の感光性 遺伝子 である。馳‐gぬにっいても詳細に解析したと ころ、＆‐gぬは2つの連鎖したQTLs（＆‐gぬ´，＆‐〆勿）からなる複合遺伝子であった。自 然日 長条件 において 、＆IgぬJおよ び＆‐gぬ2はともに出穂を遅延させるのに対し、短日条 件下 では馳 ‐g地 は単独 で出穂を 促進させ た。両遺伝子が座乗する領域には、｜び口および 月め ロ が それ ぞ れ 候 補遺 伝 子 とし て 含 まれ た 。W025の＆ −g励J候補であ るRFnの 塩基配 列を 調 査し たところ 、エキソ ン1の翻訳領 域に1，874bpの挿入が 認めら れ、この 挿入に よ るRF口の機能 喪失が出 穂遅延 の原因で あると 考えられた。一方、馳‐gたロは5．9kbの領域 に 存在 し 、 その 領 域 に は月 めaを含 む2つのORFが 存 在 した 。Hあロ は イ ネ のフ ロ リ ゲン 遺 伝子 で あ り、W025の 月 め ロがT65と 比 較 して4つ の非 同 義 置換 を も っ こと か ら 、こ れ らの 非同義 置換が馳 ‐g轟カの出 穂変異を 引き起す原因であると推察された。これらのこと から 、 ＆‐ 加は重複 した2つの灯 様遺伝子 の各々 が多様化 して生じ たもの と考えら れた。
最近 のイネ 出穂の分 子的研究から、短日条件下における出穂の促進は、胤´（馳´）および 励田 （匈ワ ）の制御 因子が 鳳おaをはじめ とするF丁様 遺伝子 の発現を 促進することによっ て 起こ る と 報告 さ れ る 。し か し なが ら 、 本研 究 で 供試 さ れ たT65は機 能 欠 失 型の 剛Jお よぴ 励田を もつ。し たがっ て、＆‐ ガ勿は 月研およ ぴ励田の 花芽誘 導経路とは独立して、
短日 下の出 穂を促進 すると 推定され 、遺伝 的背景が 変われば 出穂制 御機構も異なると考え られ る。こ のことは 、遠縁 種由来の 有用遺 伝子を育 種に利用 する際 に、期待された効果が 得られない場合があることを示している。
本 研 究では 、異な る遺伝子 座問の エピスタ シスお よびGEIがイネ出 穂性に 大きな影 響を与 え るこ と を 示す と と もに 、 緊 密 に連鎖 したQTLsか らなる複 合遺伝子 では、 個々の因 子の分 化によ って多 様な表現 型が生 み出され ることを 明らか にした。 得られ た知見は、単に出穂の 複雑な 遺伝機 構を示す だけで はなく、 適応現象 に関与 する量的 形質を 理解する上でも重要な
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示唆を与える。ゲノム内には非相加的効果をもつ膨大な数の遺伝子が存在すると予想される
ので、内在する隠蔽変異をどのように育種に活用するかが今後の緊急な課題となろう。
学 位 論 文 審 査 の 要 旨 主査
副査 副査 副査
教授 教授 教授 准教授
佐野 喜多村 三上 貴島
芳雄 啓介 哲夫 祐治
学位論文題名
Genetic studies on adaptive diversification of flowering timeinrice
（イネ出穂性の適応分化に関する遺伝育種学的研究）
有用形質の多くは量的遺伝を示し、その自然変異の維持機構を理解するため、多くの研究がなされ てきた。遺伝子間の交互作用（エピスタシス）および遺伝子・環境間相互作用(GEI)がどのように適 応分化に関わるかにっいては、今なお知見は乏しい。本研究では地域適応性に関わるイネ出穂性に着 目し、エピスタシスとGEIの影響を明らかにするとともに、量的形質の地域適応を理解することを自 的とした。本研究で得られた結果は、以下に要約される。
1）イ ネの出穂 は感光性(PS)、基本栄養生長性(BVG)および適日長(OP)の発育要素によって決定 される。これら発育要素を支配する3つの遺伝子(Sel、Efl、m‑Efl）は日本在来品種の地域適応 ●
性に関与する。本実験では、これら遺伝子に関する8つの同質遺伝子系統(NILs)を作出して、5 日長条件および2温度条件において到穂日数を調査した。各NILのPS (2a)、BVG (c̲b214a)およ びOP (‑bl2a)は/(x) ax2十bx十cの日長反応曲線から推定した。分散分析の結果、座内の効果だけ なく、座 問のエ ピスタシ スおよびGEI（ 遺伝子x温度条件）もPS、BVGおよびOPを変動させる ことが分かった。したがって、遺伝子の相加的効果だけでなくエピスタシスおよびGEIも地域適応 に大きく寄与すると考えられた。
2）イネのモチ座近傍には、劣性の感光性遺伝子が存在する。インド型栽培品種Patpakuが保持する se‑patは、台中65号(T65)の遺伝背景下で出穂遅延を引き起こすが、多年生野生イネW593が保 持するenーSelはse‑patより著しい出穂遅延を起こす。本実験では、メンデル因子の表現型多様化を もたらす遺伝機構を明らかにするため、詳細なマッピングを行った。その結果、se‑patには、出穂
、期に影響を与える3つの連鎖したQTLs (qDF6.1，qDF6.2，qDF6.3)が、他方、enーSelは2つの連鎖 ー1223−
し たQTLs (qDF6.4, qDF6.5)が 存 在 した 。qDF6.2 (qDF6.めおよ びqDF6.3 (qDF6.5)の候補遺 伝 子 は 、 シ ロイ ヌ ナ ズ ナFT遺 伝 子の ホ モ ロ グで あ るRFT1お よび 口めロ である と推定さ れ、RFT1を 含 むqDF6.2 (qDF6.4)がse‑patの 主要因 子と考 えられ た。と ころが 、鬥め ロを含むqDF5.3およ び g DF6.5では、表現型が異なり、遺伝的に分化していた。これら複合遺伝子を比較するため、qDF6．´、
qDF6.2お よ びqDF6.3に つ い て異 な る 組 合せ を も つ6つ のNILsを作 出 し 、 短日 ・ 長 日 条件下 で到 穂 日 数 を 調査 し た 。 その 結 果 、 これ らQTLs間 にも有 意なエピ スタシ スとGEIが存在す ること が分 か っ た 。 また、 分子系 統学的 解析から 、RFT1はHd3aより速 い速度 で進化 してき たこと が示唆 され た。
3） ア フ リカ イ ネ(W025)のSe‑gな は モ チ 座近 傍 に 存 在す る が 、 その 出 穂 反 応は開0甜と異 なり不 完 全優性であった。遺伝的解剖の結果、＆・gぬは2つの連鎖したQTLs（馳．gな´，馳‐gぬ2）からなる複 合遺 伝子で あった。 自然日 長下において、＆‐劃甜および馳―gぬ2はともに出穂を遅延させるのに対 し、 短日条 件下では 馳‐む2が単独 で出穂 を促進 させた 。両者 が座乗 する領 域にはRFnおよび胤ヨロ が そ れ ぞ れ候 補 遺 伝 子と して 含まれ た。W025の ´びnで は、エ キソン1の翻訳 領域に1，874bpの挿 入が 認めら れ、この 挿入に よる機 能喪失 が＆―gぬ´の出穂遅延を引き起こす原因であると考えられ た。 一方、 馳，gぬ2は5．9kbの 領域に 存在し 、その 領域に は日めロ を含め て2つのORFが存在した。
W025の日 あ ロ は4つ の非 同 義置換を もつこ とから 、馳Igぬ2の原因 遺伝子 である と推察 された 。し た が っ て 、馳 ，gぬ は 重 複した 朋様遺 伝子の 各々が 多様化し て生じ たと推 測され た。T65は 機能欠 失 型の刪 ´およ びE轟甜 をもつ ので、 本結果 はこれま でに報 告され ていな い誘導 経路に よって 出穂 が制 御され ることを 示して いる。 遠縁種 の有用 遺伝子 を育種 に利用 する際に は、遺伝制御様式に注 意する必要がある。
以 上の ように 、本研 究では 、異なる 遺伝子 座問の エピス タシス およびGEIがイネ 出穂性 に大き な影 響を与 えるこ とを示 すととも に、複 合遺伝 子とし てのメ ンデル 因子で は個々 の因子の分化によって多 様な表 現型を 生み出 すことを 明らか にした 。本研 究の知 見は、 単にイ ネ出穂 性の複雑な遺伝構築を示 すだけ ではな く、量 的形質に よる適 応現象 を理解 する上 でも重 要な示 唆を与 える。よって、審査員一 同 は 、 上 床 修 弘 が 博 士 （ 農 学 ） の 学 位 を 受 け る の に 十 分 な 資 格 を 有 す る も の と 認 め た 。
