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岩手生物工学研究センターらがヤムイモのゲノム配列の解読に世界で初めて成功

DNA

ヤムイモのゲノム配列の解読に世界で初めて成功
― 国際的な研究連携で西アフリカの農業問題に取り組む ―

ポイント

  • 世界に先駆けて、西アフリカの重要な主食作物で、ヤムイモの一種であるギニアヤムの全ゲノム配列を解読
  • ギニアヤムの性別を決定するゲノム領域を同定し、品種改良を加速できる性別判定マーカーを開発
  • 日本の研究機関が中心となった国内外の研究機関の連携協力により、西アフリカを中心とする世界の食料生産、栄養改善への貢献が期待できる

概要

公益財団法人 岩手生物工学研究センター(IBRC)、国立研究開発法人 国際農林水産業研究センター(JIRCAS)は、ナイジェリアにある国際熱帯農業研究所(IITA)との国際共同研究を通じて、アフリカにおける重要な作物、日本で栽培されているナガイモ、ジネンジョ等の仲間のひとつであるヤマノイモ属作物(ヤムイモ)「ギニアヤム」の全ゲノム配列の解読に、世界に先駆けて成功しました。

さらに解読した情報を基に、性別を決定する遺伝子の座乗するゲノム領域を同定し、幼植物期に性別を推定することができるDNAマーカーを開発しました。

このマーカーは、品種・系統によって雄、雌の性別が異なり開花するまでその性別が判断できないというヤムイモの品種改良の障壁を乗り越え、品種改良を加速化・効率化することに大きく貢献すると期待されます。

これらの成果は、ギニアヤムをはじめとするヤムイモの生産性や栄養価の改良を飛躍的に加速し、特に西アフリカにおける食料生産、栄養改善に貢献することが期待されます。

本研究は、アーラム研究所(英国)、神戸大学、沖縄県農業研究センター、信州大学、東京農業大学、京都産業大学、セインズベリー研究所(英国)、フランクフルト大学(ドイツ)、京都大学の研究者の協力を得て実施されました。

本研究成果は、国際科学専門誌「BMC Biology」電子版(日本時間2017年9月19日9時)に掲載されます。

 

背景

ヤムイモは、ヤマノイモ属に含まれるイモ類植物の総称で、日本で栽培されているヤムイモの種としてはナガイモ、ヤマノイモ(ジネンジョ;自然薯)、ダイジョが知られています。

アフリカではヤムイモが主食として広く栽培されており(図1)、とくに西アフリカでは年間約5,400万トン生産され、これは世界のヤムイモ生産量の約95%を占めます。

伝統的な調理法や加工技術など食文化に裏打ちされた利用法があり、それぞれに好まれた色や味などに基づく品種の使い分けがあります。

ヤムイモの中でもギニアヤム(ホワイトギニアヤム;Dioscorea rotundata)とダイジョ(D. alata)は、西アフリカの食生活に欠かすことのできない重要な主食作物ですが、生産地と消費地が西アフリカに集中していることから、生産性や品質向上に向けた品種改良(育種)に関する現地あるいは海外機関による研究および技術開発はほとんど進んでいませんでした。

 

経緯

 国際農林水産業研究センター(JIRCAS)は、アフリカで今後予想される人口増加に伴う食料問題解決のため、また小規模農家の収入増加のため、ヤムイモの生産性や品質の改良の推進に着目しています。

2011年度から、ヤムイモの生産性や品質の改良の基盤となるゲノム情報の整備や、育種技術を開発し、得られた知見や技術を現地での育種活動に利用してもらうことを目的に、ナイジェリアにある国際熱帯農業研究所 (IITA)、岩手生物工学研究センター(IBRC)等、国内外の機関と国際共同研究を実施してきました。
本研究では、ヤムイモのDNA情報に基づいた育種を可能にするため、IBRCとJIRCASは、IITAとの国際共同研究を通じて、西アフリカの主要なヤムイモであるギニアヤムのゲノム配列を解読しました。

また、解読したゲノム情報の解析を通して、性別を決定する遺伝子座を同定し、幼植物期に性別を推定することができるDNAマーカーの開発に成功しました。

ヤムイモは品種・系統によって雄株、雌株、両性株が異なるため、開花しないと性別が判断できないことが、戻し交配などによる品種改良の障壁となっていましたが、このDNAマーカーは、その障壁を乗り越え、育種の効率化に大きく貢献すると期待されます。
なお、本研究は、アーラム研究所(英国)、神戸大学、沖縄県農業研究センター、信州大学、東京農業大学、京都産業大学、セインズベリー研究所(英国)、フランクフルト大学(ドイツ)、京都大学の研究者の協力を得て実施されました。

 

内容・意義

  1. ギニアヤム(図2a,b)のゲノム配列のほぼ全体をカバーする594Mb(5.94億塩基)を解読しました。合計で26,198個の遺伝子があると推定されました(図2c)。
  2. ギニアヤムとゲノム配列がわかっている主なモデル植物3種(イネ、シロイヌナズナ、ミナトカモジグサ)で推定された遺伝子の異同を比較しました。その結果、ギニアヤムには、これら3種と相同な(祖先を共通とする)遺伝子が5,557個ある一方で、独自の遺伝子が12,625個あることが明らかになりました(図2c)。
  3. ヤムイモは、品種・系統によって雄株、雌株が異なり、開花しないと性別が判断できないため、効率的なヤムイモの育種には限界がありました。性別を遺伝学的に推定できるよう、雄株と雌株に分離したギニアヤムF1後代の集団について全ゲノム配列を解析しました。その結果、ギニアヤムの雌株の決定に関わる遺伝子領域を同定することができました。
  4. さらにこの遺伝子領域を解析し、幼植物期のギニアヤム植物の雄株・雌株推定のためのDNAマーカーを開発することに成功しました(図3)。

 

今後の予定・期待

  1. 開発したDNAマーカーを用いることで、幼植物期に雌雄性を推定できようになり、優れた性質を持つ品種・系統の雄株・雌株を利用した、戻し交配などによるギニアヤムの育種が効率化されると期待されます。
  2. ギニアヤムのゲノム情報は、ギニアヤムの生産性や栄養価の改良を加速し、西アフリカにおける食料生産、栄養改善に貢献することが期待されます。
  3. ギニアヤムのゲノムおよびDNAマーカーの情報は、他のヤマノイモ属作物の育種促進にも貢献すると期待されます。
  4. ギニアヤムゲノム解読の目的で開発したF1世代を用いたゲノム解析技術を活用することにより、世代時間が長いため今まで解析が困難であった果樹や樹木の遺伝子単離、DNAマーカー開発が進むものと期待されます。

図1.西アフリカにおけるヤムイモの栽培(左)とヤムイモ市場(右)

図1.西アフリカにおけるヤムイモの栽培(左)とヤムイモ市場(右)

図2.ギニアヤムと主なモデル植物の遺伝子の比較

図2.ギニアヤムと主なモデル植物の遺伝子の比較

(a)ギニアヤムの植物体。(b)ギニアヤムのイモ。(c)ギニアヤムのゲノム解析による遺伝子と、ゲノム配列がわかっている主なモデル植物における遺伝子との比較。数字は遺伝子数。各区分で重複する部分には相同する遺伝子数を記載。

図3. DNAマーカーを用いたギニアヤムの性別推定

図3. DNAマーカーを用いたギニアヤムの性別推定

(a)雄花。(b)雌花。(c)雌株の決定に関わる遺伝子領域の近傍にある配列のDNAマーカーSP16を用いたところ、雄株と雌株を交雑したF1後代のうち、雄花(♂)を付けた株ではDNAが検出されず、雌花を付けた株(♀)ではDNAが検出された(赤矢印の位置のバンドの有無)。Actinはコントロールとして検出したアクチン遺伝子。

2017.10.21 更新