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2007年12月14日
コケゲノムの解読 ~植物の陸上征服を可能とした遺伝子の進化解明へ一歩前進~

このプレスリリースは以下の機関の合同発表です。
大学共同利用機関法人 自然科学研究機構 基礎生物学研究所
国立大学法人 金沢大学
大学共同利用機関法人 情報・システム研究機構 国立情報学研究所
独立行政法人 理化学研究所
大学共同利用機関法人 情報・システム研究機構 国立遺伝学研究所
国立大学法人 東京大学 大学院 新領域創成科学研究科
国立大学法人 名古屋大学
国立大学法人 総合研究大学院大学
独立行政法人 科学技術振興機構 (JST)

 

日本、米国、ドイツ、イギリスなど6ヶ国からなる国際共同研究チームがコケ植物ヒメツリガネゴケのゲノム解読に成功しました。日本は、基礎生物学研究所、金沢大学、国立情報学研究所、国立遺伝学研究所、東京大学、名古屋大学、総合研究大学院大学、科学技術振興機構の研究者グループが完全長cDNAの配列決定を分担し、約3万6千遺伝子を発見しました。その結果、陸上植物の進化過程で、植物の形作りや環境応答に必要な植物ホルモン関連遺伝子、乾燥耐性に必要な遺伝子、放射線などによってダメージを受けた遺伝子の効率的な修復機構に関わる遺伝子などが生じたことがわかりました。今後、これらの遺伝子の詳細な機能解析を行うことによって、陸上植物の進化に関与した遺伝子の解明、コケ植物の持つ高い環境耐性能力などを利用した農林業的応用や地球環境対策への応用が進むことが期待できます。この成果は、12月14日に米国科学誌Science(サイエンス)オンライン速報版で公開されました。

 

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[研究の内容]

コケ植物「ヒメツリガネゴケPhyscomitrella patens (以下コケ)」ゲノム国際コンソーシアムは日・米・独・英など6ヶ国の共同研究として、コケのゲノム解読に成功しました。
 植物は動けません。そこで、陸上という苛酷な環境条件下で生きるために、動物にはないさまざまな能力を進化させました。陸上植物は、動物には耐えられないような乾燥、温度変化、太陽からの紫外線に耐える機構を持っており、地球上のあらゆる場所で生活しています。また、動物にないような強い繁殖能力を持っています。このような能力の多くは、植物が水中から陸上へ進化した頃に獲得され、少しずつ増強されてきたと考えられていますが、どのような種類の遺伝子がどう変わることによって、このような能力を獲得できたのかは謎でした。
 コケ植物は、植物が陸に上がった直後に花の咲く植物の系統から分かれました。従って、コケ植物と花の咲く植物、さらに水中生活をする藻類とのゲノム(全遺伝子)の比較によって、植物が陸上環境に適応する上で重要だった遺伝子を解明することができると考えられてきました。
 今回の研究では、コケゲノムのほぼ全体にあたる約5億の塩基配列を決定しました。日本のグループは完全長cDNA(働いている遺伝子)の配列決定を分担し、約3万6千遺伝子の発見に貢献するとともに、遺伝子進化の解析と解釈を行いました。その結果、陸上植物の進化の過程で、植物の形作りや環境応答に必要な植物ホルモン、放射線などによってダメージを受けた遺伝子の効率的な修復機構に関わる遺伝子などが進化してきたことがわかりました。今後、これらの遺伝子の詳細な機能解析を行うことによって、陸上植物特有の能力を生み出す機構の解明、さらにその農林業的応用や地球環境対策への応用が進むことが期待できます。
 日本における研究は、自然科学研究機構 基礎生物学研究所 生物進化研究部門の長谷部光泰教授、金沢大学学際科学実験センターゲノム機能解析分野の西山智明助教らのグループを中心として、情報・システム研究機構 国立情報学研究所ならびに理化学研究所ゲノム科学総合研究センターの藤山秋佐夫教授グループ、情報・システム研究機構 国立遺伝学研究所 小原雄治所長グループ、東京大学大学院新領域創成科学研究科 菅野純夫教授グループ、名古屋大学 青木摂之講師ならびに科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業 ERATO型研究「長谷部分化全能性進化プロジェクト」(研究総括:長谷部光泰教授)の共同研究として行われました。
 この共同プロジェクトは日本では文部科学省科学研究費特定領域研究「ゲノム」の支援を得て実施されました。

[研究の背景]

1)植物の陸上化を可能にした遺伝子進化
現在、地上は木々や草花など緑の植物でおおわれています。そして、植物が作り出す森や林といった環境が動物の生命をはぐくんでいます。しかし、約5億年前、最初の植物が上陸するまでは、地上は荒涼とし、ほとんどの動物は生活できなかったと考えられています。つまり、植物の地上への進出は、現在の地上の生物多様性をもたらした大きな要因の一つなのです。
 では、どうして植物は陸上化できたのでしょうか。荒涼とした大地は、現在の砂漠のように、激しい温度変化とともに、太陽からの強烈な紫外線が降り注いでいました。また、大雨による洪水と日照りによる乾燥が繰り返されていたと考えられています。水中で暮らしていた藻類の中に、陸上の苛酷な環境に適応する能力を進化させたものが生じ、陸上植物の祖先になりました。その後、その子孫である陸上植物が、この能力を洗練することによって、陸上のほとんどの部分は植物で被われるようになりました。
 このような能力は遺伝子の進化によってもたらされたと考えられますが、どのような遺伝子が進化したのかはわかっていませんでした。陸上植物の祖先は既に絶滅してしまっているのでその遺伝子を研究することは困難です。しかし、現在生きている陸上植物が共通に持っている遺伝子を調べれば、陸上生活に必要な遺伝子が明らかになるはずです。また、それぞれの生物は陸上生活に適したそれぞれ独自の能力を持っています。そのそれぞれの能力をもたらしている遺伝子もわかるはずです。そしてそのような能力を作物に付加したり、増強することによって、環境耐性能力の高い作物ができるようになるはずです。
 これまでに陸上植物では被子植物(注1(花の咲く植物)のシロイヌナズナ、イネ、ポプラ、ブドウのゲノム配列が解読されていますが、これらは約2億年以内に進化した種類で、約5億年進化をした陸上植物全体の共通性を知ることができませんでした。そこで、研究グループは陸上植物の中で被子植物と最も離れた系統に属するコケ植物(注2のゲノム解析を開始しました。

2)ヒメツリガネゴケとは
コケ植物の中でも特にヒメツリガネゴケは実験生物として注目されています。ヒメツリガネゴケは1950年代からイギリスで遺伝学の材料として用いられ、その後、細々と研究が続けられてきました。1990年代になり、特定の遺伝子を計画的に操作する遺伝子ターゲティングが多細胞生物のなかでは最も容易にできることがわかり、一躍注目されるようになりました。1990年代後半より自然科学研究機構(当時は岡崎国立共同研究機構)基礎生物学研究所において実験方法の開発、洗練が行われ、世界で最も高度な遺伝子操作系の確立に成功しました。そして、2000年からは文部省科学研究費補助金 特定領域研究「統合ゲノム」の援助によってゲノム解読を開始しました。2003年に約1万5千の遺伝子をカタログ化することに成功しました。これらの遺伝子は、理化学研究所バイオリソースセンターから世界中の研究者に頒布されています。
3)ヒメツリガネゴケゲノム解析への道のり
日本におけるヒメツリガネゴケゲノム研究の進展が呼び水となり、ゲノム完全解読を目指して、2004年ドイツで開かれた国際コケ会議において、ヒメツリガネゴケゲノムコンソーシアムが結成されました。コアメンバーは日独英米、各2名、合計8名で、日本からは長谷部光泰(自然科学研究機構基礎生物学研究所)、西山智明(金沢大学学際科学実験センター)が参加しました。コアメンバーの共同提案として、世界最大の塩基配列決定設備を持つ米国ジョイントゲノム研究所(Joint Genome Institute)に塩基配列機器使用を申請し、競争の結果採択されました。これに加え、日本、ドイツ、イギリスにおいても、ゲノム解読におけるそれぞれの得意分野を分担し、各国の情報を統合することによって、今回の成果が生み出されました。日本では、ゲノム配列から遺伝子情報を探し出すのに重要な完全長cDNA(注3の配列決定を担当しました。

[研究の詳細]

1)コケは花の咲く植物と似た遺伝子を持っている。
遺伝子は、親から子へとコピーされ受け継がれますが、その際にミスコピーが起こって、増えたり減ったりすることが知られています。ミスコピーによって増えた遺伝子は互いに似ていますから、遺伝子の家族の意味で遺伝子族と呼ばれます。ヒメツリガネゴケのゲノムを調べると、これまでゲノム解読が終わった花の咲く植物(被子植物)で見つかった遺伝子族の多くが存在することがわかりました。これら共通の遺伝子族の中に植物の陸上化に必要だった遺伝子が含まれていると考えられます(下記2と3)。

2)乾燥耐性遺伝子の共通性
作物になっている被子植物では、種子には乾燥耐性がありますが、根・茎・葉は乾燥させると死んでしまいます。しかし、ヒメツリガネゴケなどのコケ植物は茎葉に乾燥耐性があり、乾燥させても生きています。今回のゲノム解析の結果、作物などの被子植物のもつ乾燥耐性遺伝子がヒメツリガネゴケにもあることがわかりました。このことから、陸上植物が進化した初期段階で乾燥耐性遺伝子系が進化した可能性が高いことがわかりました。

3)植物ホルモン関連遺伝子、光受容系遺伝子の共通性
オーキシンとサイトカイニンは植物の細胞分裂と細胞成長を制御する植物ホルモンです。これらは、陸上植物の体を作り上げるうえで重要な働きをしています。また、陸上植物の形態形成は光の影響を大きく受けています。ヒメツリガネゴケゲノムには、被子植物で知られている両植物ホルモンならびに光受容に関する遺伝子のほとんどが存在していることがわかりました。このことは、植物の陸上化においてこれらの遺伝子が重要だった可能性を示唆しています。

4)遺伝子修復系の違い
DNAには生きていくために必要な情報が記録されており、生命の根幹ですが、放射線や化学物質によって切れてしまうことがあります。多くの生物は、こういう時にDNAをつなぎ直す修復システムと、切れている時には細胞分裂をしないようにする確認システムを持っています。ヒメツリガネゴケの遺伝子操作がしやすいのは、この修復システムの違いが関係しているかもしれないということが予想されていました。今回のゲノム解析から、ヒメツリガネゴケの遺伝子修復遺伝子の多くは共通して存在するものの、塩基配列が同じ部分で組み換えて修復することに関わる遺伝子が一つ余分にあること、確認システムに関わる8遺伝子のうち3遺伝子がないこと、ゲノムの安定性に関わる3つの遺伝子で被子植物より藻類や動物に似ている配列を持っていることが明らかになりました。

[今後の展開]

今回の研究から、作物などを含む被子植物とは大きく異なって見えるコケ植物ヒメツリガネゴケも、多くの似た遺伝子を持っていることがわかりました。このことは、互いの遺伝子を入れ替えたりして、環境適応能力のより優れた作物を作り出す可能性を示唆しています。また、ヒメツリガネゴケは植物の中で遺伝子操作実験が最も容易なので、被子植物で見つかった重要な遺伝子の詳細な機能解析を、ヒメツリガネゴケを生きた試験管として用いて行うことが可能であることを示しています。さらに、ヒメツリガネゴケの遺伝子操作が容易な理由を解明することで、遺伝子操作が容易な被子植物を作り出すことも期待されます。
 ヒメツリガネゴケは乾燥耐性、強力な再生能力など、被子植物の持っていない能力を持っています。今回明らかになったゲノム情報を用いて、これらの過程にどんな遺伝子が関与するかを明らかにすることが容易になると期待されます。
 今回の報告は、被子植物とヒメツリガネゴケゲノムにある遺伝子の大まかな比較解析の結果です。今後、さらに詳細な比較解析を行うことによって、陸上植物が約5億年の進化の過程でどのような遺伝子をどのように変えることによって進化してきたのかが明らかになると期待されます。また、これまでわかってきた動物の進化と遺伝子の進化の関係を比較することによって、動物と植物では、進化の様式が似ているのか、あるいは異なっているのかがわかってくるはずです。

[用語解説]

注1)被子植物
花の咲く植物の総称で、約2億年前に進化した。ほとんどの作物は被子植物である。

注2)コケ植物
被子植物にくらべ小さく単純な構造の体を持つ。花・種子をつくらず、胞子で繁殖する。ヒメツリガネゴケや寺などで良く用いられるスギゴケの含まれる蘚類(せんるい)、ゼニゴケなどの苔類(たいるい)を含む。

注3)完全長cDNA
ゲノム上の遺伝子はDNAからRNAに転写されて働く。このRNAを実験がしやすいように、より安定なDNAに変えた物をcDNAと呼ぶ。cDNAを調べれば、働いている遺伝子そのものの情報を得ることが出来る。RNAの全長をcDNAにすることは難しいが、共同研究者の菅野らによって開発された方法を用いることによって効率的にRNAの全長に対応するcDNA(完全長cDNA)を得る事ができるようになった。

[発表雑誌]

米国科学誌 Science(サイエンス誌)
(2007年12月14日にオンライン速報版にて発表されました。)

論文タイトル:
“The Physcomitrella genome reveals insights into the conquest of land by plants”
「ヒメツリガネゴケゲノム解析によって植物の陸上征服についての一端が明らかに」

[研究グループ]

「ヒメツリガネゴケPhyscomitrella patens (以下コケ)」ゲノム国際コンソーシアム
(日・米・独・英など6ヶ国の共同研究)

主たるコンソーシアムメンバー
日本
西山智明 Tomoaki Nishiyama 金沢大学学際科学実験センター
棚橋貴子 Takako Tanahashi 基礎生物学研究所・総合研究大学院大学
榊原恵子 Keiko Sakakibara Monash大学
藤田知道 Tomomichi Fujita 北海道大学理学部
大石加寿子 Kazuko Oishi 遺伝学研究所
新井理 Tadasu Shin-I 遺伝学研究所
黒木陽子 Yoko Kuroki 理化学研究所ゲノム科学総合研究センター
豊田敦 Atsushi Toyoda 理化学研究所ゲノム科学総合研究センター
鈴木穣 Yutaka Suzuki 東京大学大学院新領域創成科学研究科
橋本真一 Shin-ichi Hashimoto 東京大学大学院医学系研究科
山口和男 Kazuo Yamaguchi 金沢大学学際科学実験センター・金沢大学大学院自然科学研究科
菅野純夫 Sumio Sugano 東京大学大学院新領域創成科学研究科
小原雄治 Yuji Kohara 遺伝学研究所・総合研究大学院大学
藤山秋佐夫 Asao Fujiyama 国立情報学研究所・総合研究大学院大学・理化学研究所ゲノム科学総合研究センター
青木摂之 Setsuyuki Aoki 名古屋大学大学院情報科学研究科
村田隆 Takashi Murata 基礎生物学研究所・総合研究大学院大学
長谷部光泰 Mitsuyasu Hasebe 基礎生物学研究所・総合研究大学院大学・科学技術振興機構

イギリス
Andrew C. Cuming
David Cove

ドイツ
Stefan A. Rensing
Ralf Reski

アメリカ
Brent D. Mishler
Jeffrey L. Boore (Joint Genome Institute代表)
Ralph S. Quatrano


ヒメツリガネゴケの培養
直径9センチのプラスチックシャーレで無機塩類を含んだ培地で光照射下、25度で培養する。

 

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[本件に関するお問い合わせ先]

自然科学研究機構 基礎生物学研究所 生物進化研究部門
教授: 長谷部 光泰(ハセベ ミツヤス)
Tel: 0564-55-7546(研究室)
E-mail: mhasebe@nibb.ac.jp
URL: http://www.nibb.ac.jp/evodevo/

[報道担当]

基礎生物学研究所 連携・広報企画運営戦略室
倉田 智子
Tel: 0564-55-7628
E-mail: press@nibb.ac.jp