Embed Size (px)
Citation preview
独立行政法人農業環境技術研究所
土壌環境研究領域 主任研究員
石川 覚
カドミウムはどうやってイネに取り込まれるのか？
土壌 土壌中のCdは根から吸収
される
吸収されたCdは根から茎葉に運ばれる
茎葉から玄米に運ばれる
①カドミウムは植物の生長には必要のない元素だが、他の養分（窒素やリン、鉄、亜鉛等）と同じように、根から吸収され、茎葉を通って玄米に到達する。 ②カドミウムの吸収や移動は、特定の遺伝子によって制御されている。
カドミウム吸収や移行に関わる遺伝子を働かなくすれば、コメのカドミウム濃度は減る？
突然変異（遺伝子変異）による 低カドミウムイネの開発
イオンビーム照射
イオンビームの特徴
軌跡と止まる直前に
大きなエネルギーを与える
イオンビーム照射
物質中の透過性が高く 均一なエネルギーを与える
ガンマ線、X線等
細 胞 へ の 照 射
炭 素 イ オ ン 1 G y 〜 ４ヶ所
1 0 m m
ガンマ 線 1 G y 〜 2 0 0 0ヶ所
遺伝子
点突然変異が多い
極少数の遺伝子を確実に変化
遺伝子変異
核
核
エネルギー付与
イオンビーム育種の特徴
１．変異のスペクトルが広い ：新しい形質・変異体の創生が可能 ２．変異の誘発率が高い ：少ない試料、狭い施設での品種育成が可能 ３．極少数の遺伝子に作用 ：悪い形質を伴わず、ワンポイント改良が可能
イオンビーム育種は、 • 花卉園芸植物の品種改良（花色の変異、花持ちなど） • 清酒用の酵母 （高発酵、香りのよい） 等に使われている。
低Cdコシヒカリ変異体の作出、選抜工程
イオンビーム照射
(独)原子力機構のAVFサイクロトロンで実施
M1植物 M2種子
M2植物を1個体づつCd汚染土壌入りのポットで栽培
各個体から玄米の収穫 玄米のCd分析
（約3,000個体を栽培）
コシヒカリ（M1種子）
(早期落水管理）
低Cdコシヒカリ変異体の選抜
0
100
200
300
400
500
600
0.05 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75 3 3.25 3.5 3.75 4
個体数
玄米Cd濃度 (mg kg-1)
コシヒカリ 基準値 (0.4 mg kg-1)
lcd-kmt1 lcd-kmt2 lcd-kmt3
lcd-kmt: low cadmium koshihikari mutant
高Cd水田で栽培時の玄米・稲わらCd濃度
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
ほ場A ほ場B ほ場C
玄米
Cd濃度
(mg k
g-1
)
コシヒカリ
lcd-kmt1
lcd-kmt2
基準値
ND ND 0.02 0.02 0.03 0.03
0.57
1.86
0.97
0
2
4
6
8
10
12
ほ場A ほ場B ほ場C 稲わら
Cd濃度
(mg k
g-1
)
コシヒカリ
lcd-kmt1
lcd-kmt2
0.04 0.04 0.04 0.04 0.09 0.10
3.46
9.14
5.48
土壌のCd濃度(mg kg-1) ほ場A: 1.35 ほ場B: 1.21 ほ場C: 0.35
（ほ場は早期落水管理） ND:定量限界値以下（<0.01mg kg-1）
低Cdコシヒカリ（lcd-kmt1とlcd-kmt2）はCdを玄米や稲わらにほとんど蓄積しない。
玄米 稲わら
他のミネラル濃度への影響
0
5
10
15
20
25
30
WT lcd-kmt1
Gra
in M
n c
on
c. (
mg/
kg)
0
5
10
15
20
WT lcd-kmt1
Gra
in F
e co
nc.
(m
g/kg
)
0
10
20
30
40
50
WT lcd-kmt1
Gra
in Z
n c
on
c. (
mg/
kg)
0
100
200
300
400
500
600
WT lcd-kmt1
Stra
w M
n c
on
c. (
mg/
kg)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
WT lcd-kmt1
Stra
w F
e co
nc.
(m
g/kg
)
0
10
20
30
40
50
60
70
WT lcd-kmt1
Stra
w Z
n c
on
c. (
mg/
kg)
玄米
稲わら
Mn Fe Zn
Mn Fe Zn
0
5
10
15
20
25
30
35
WT lcd-kmt1
Gra
in w
eigh
t (g
) /p
lan
t
0
5
10
15
20
25
30
35
40
WT lcd-kmt1
Stra
w w
eigh
t (g
) /p
lan
t
玄米重
稲わら重
作物間でのMn濃度の比較 (幼植物の水耕栽培実験）
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
コシヒカリ lcd-kmt2 コムギ ダイズ
地上部
Mn濃度（
mg
/kg）
地上部Mn濃度
低Cdコシヒカリの茎葉Mn濃度はコムギやダイズ等の畑作物並である。
コシヒカリ lcd-kmt1 コシヒカリ lcd-kmt2
20 cm
コシヒカリ lcd-kmt1 lcd-kmt2
5 mm
コシヒカリ lcd-kmt1
lcd-kmt2 コシヒカリ
低Cdコシヒカリの生育と玄米形質（農環研圃場）
各県で実施した系統適応試験 （９県10圃場での平均、2012年）
出穂期 （月日）
稈長 (cm)
穂長 (cm)
穂数 (本/m2)
倒伏程度 (0～5)
lcd-kmt1 8/4 87.2 18.2 371 1.8
lcd-kmt2 8/5 86.5 18.8 386 1.8
コシヒカリ 8/4 85.8 18.6 373 1.9
精玄米重 (kg/a)
比較比率 (%)
千粒重 (g)
玄米タンパク質（％）
整粒歩合 (%)
lcd-kmt1 50.2 97 21.8 8.3 75.8
lcd-kmt2 51.4 100 21.7 8.1 71.8
コシヒカリ 51.5 (100) 21.9 8.1 72.9
SPAD値による葉色の違いはなし
生育や収量等に関する形質に違いはなし
特性検定（病害、耐冷性等）
lcd-kmt1 lcd-kmt2 比較コシヒカリ
耐倒伏性 弱 弱 弱
いもち病抵抗性 弱 弱 弱
白葉枯病抵抗性 中 中 中
高温耐性 中 中 中
耐冷性 極強 極強 極強
穂発芽性 難 難 難
コシヒカリとの違いなし。
食味官能試験
試験方法：専門パネラー20名により、炊飯した供試米（低Cdコシヒカリ変異体）と基準米（通常コシヒカリ）について、以下の5項目（外観、香り、味、粘り、硬さ）と総合評価を比較する相対法
低Cd系統 総合評価
外観 香り 味 粘り 硬さ 評価値 信頼区間 有意差
lcd-kmt1 0.000 ±0.368 なし 0.200 0.050 -0.050 0.100 -0.200
lcd-kmt2 0.200 ±0.368 なし 0.050 -0.050 0.150 0.350 -0.250
基準米：農環研産コシヒカリ(H24年産）
コシヒカリとの違いなし。
（穀物検定協会によるデータ）
Cd吸収性の違いのみで品種登録できることになった。
http://www.hinsyu.maff.go.jp/info/sinsakijun/kijun/1440.pdf
農水省品種登録ホームページ→農林水産植物種類別審査基準→
有望な2系統（lcd-kmt1とlcd-kmt2）のうち、lcd-kmt2を品種登録出願した。
品種登録出願 (平成25年8月）
品種名「コシヒカリ環1号」
低Cdコシヒカリの 原因遺伝子の特定
低カドミウム遺伝子の分離比
0
5
10
15
20
25 個体数
地上部Cd濃度(mg kg-1)
lcd-kmt1
カサラス
低Cdコシヒカリ変異体とカサラス（Cd高吸収品種）を交配し、第2世代（F2）のイネ（92個体）をCd処理。
１：３の分離比 （劣性の1遺伝子で低Cdが支配される）
原因遺伝子の染色体上の位置 （マップベースクローニング法）
イネの連鎖地図
OsNRAMP5
重金属輸送に関わる膜タンパク質（トランスポーター）をコードする遺伝子
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2
OsNRAMP5遺伝子の変異挿入部位 OsNRAMP5のゲノム構造
lcd-kmt3 (277kbpの欠損）
３つの変異体は同じOsNRAMP5遺伝子に違う形の変異が入った ・Ishikawa et al. (2012) PNAS
・PCT国際特許出願中
exon IX
WT : TGCGCCAAC
lcd-kmt2: TGCGC_AAC
WT : ATTACCGGCACATACGCTGGACAGTACATCATGCAG
lcd-kmt1:ATTAGGCCAGTCACAATGGGGGTTTCACTGGTGTGTCATGCACATTTAATAGGGGTAAGACTG--
----AATGACACTAGCCATTGTGACTGGCCTTA(mPingA1)
exon X
1-bp deletion 433-bp insertion
(50 exons and 383 introns)
lcd-kmt2 (1bpの欠損）
lcd-kmt1 (434bpの挿入）
低CdコシヒカリのCd吸収抑制機構
カドミウムを根に取り込む機能型のタンパク質 （OsNRAMP5トランスポーター）
イオンビーム照射によってカドミウム吸収機能が失われたタンパク質 （変異型osnramp5トランスポーター）
カドミウム（Cd)
コシヒカリ 低カドミウム コシヒカリ
導管
地上部へ
根細胞
地上部へ
導管
根細胞
根
コシヒカリ lcd-kmt1
放射性Cdによる根の吸収試験（動画）
根
茎葉
低Cdコシヒカリの今後の活用と展開
１）低カドミウムコシヒカリを従来のコシヒカリに替えて栽培する（低カドミウムコシヒカリ自体の普及）。 ２）低カドミウムコシヒカリが持つ、低カドミウムの遺伝子を導入して、各地域に適した新品種を作る→低カドミウム遺伝子を検出できるDNAマーカーが必要。 ３）海外への技術移転（国際貢献）
M:サイズマーカー LK1:低Cdコシヒカリ（lcd-kmt1） KH:コシヒカリ F1:lcd-kmt1 x コシヒカリのF1
低カドミウム遺伝子を検出できる DNAマーカー
LK2 KH F1 LK2 KH F1
1.5
1.2 1.0
0.5
0.4
kbs
M
制限酵素処理なし 制限酵素処理（FspI）
0.2
0.3
0.5
0.7
M LK1 KH F1
kbs
lcd-kmt1用のマーカー lcd-kmt2用のマーカー
M:サイズマーカー LK2:低Cdコシヒカリ（lcd-kmt2） KH:コシヒカリ F1:lcd-kmt2 x コシヒカリのF1
DNAマーカーを用いた新たな低カドミウムイネ品種の育成（概略図）
低Cdコシヒカリ
A品種
×（交配） X
F1
X‘
X‘ X‘
X X
Xマーカー上に低Cd遺伝子がある
X’マーカー上にCdを吸収する遺伝子がある
交配すると、両方の遺伝子を持つ
×
A品種
（戻し交配） X X
X‘ X‘
（低カドミウムの遺伝子を持ち、他の遺伝子はA品種のまま）
低カドミウムのA品種が完成
各県の主力品種や有望な系統に低カドミウム遺伝子を導入する取り組みが進行中（現在、65の品種・系統に導入）
X X‘
再びA品種と交配
何度かA品種と交配
ほとんどA品種に戻る
自殖
ヒ素とカドミウムのトレードオフ
玄米濃度(mg kg-1) 稲わら濃度(mg kg-1)
水管理 品種・系統 As Cd As Cd
早期落水 コシヒカリ 0.17 1.05 6.71 10.2
lcd-kmt1 0.16 0.01 6.75 0.05
常時湛水 コシヒカリ 1.12 0.08 23.6 0.35
lcd-kmt1 1.15 ND 24.4 ND
ポット試験：土壌Cd濃度（0.82mg/kg）、土壌ヒ素濃度(4.01mg/kg) 早期落水：穂ばらみ期以降、落水管理 常時湛水：栽培期間中、湛水管理。
低Cdコシヒカリを早期落水管理すれば、ヒ素とCdの同時低減が可能になる。
農水省委託プロ：「水稲におけるヒ素のリスクを低減する栽培管理技術の開発」
まとめ
• カドミウムをほとんど吸収しないコシヒカリ変異体をイオンビーム育種によって開発し、この変異体から低カドミウムの原因となる遺伝子を発見した。また、変異遺伝子を検出できる遺伝子マーカーを開発した。
• 得られた変異遺伝子は通常の交配で導入できるため、遺伝子組換え技術を用いずにほとんどのイネ品種に容易に低カドミウムの性質を持たせることができる。
• コメに含まれるカドミウム濃度が大幅に減少し、汚染のリスクが極めて小さくなる。これにより食品由来のカドミウム摂取量が減少し、私たちの健康維持に貢献できる。
26
（謝辞）
低Cdコシヒカリの開発は、生物系特定産業技術研究支援センター「イノベーション創出基礎的研究推進事業」による「食の安全を目指した作物のカドミウム低減の分子機構解明」（2007-2011）の予算によって得られた。
（低Cdコシヒカリ開発に関する共同研究者） • 西澤直子特任教授、中西啓仁特任准教授（東京大学大学院農学生命科学研究科）
• 長谷純宏研究主幹（（独）日本原子力研究開発機構量子ビーム応用研究部門）
• 春原嘉弘上席研究員*、黒木慎主任研究員（作物研究所稲研究領域） （*現北海道農業研究センター 水田作研究領域長）
• 倉俣正人特別研究員、安部匡特別研究員（現任期付）、井倉将人特別研究員（現任期付）、荒尾知人土壌環境研究領域長（（独）農業環境技術研究所土壌環境研究領域）
他多数
（カドミウム研究全般でお世話になった方） ・阿江教治元神戸大学教授（元農環研土壌化学U室長）
