コムギのランドレースであるChinese Spring(チャイニーズ・スプリング)種における穀物中の亜鉛および鉄濃度のQTLの分子生物学的特性解析

中国では、高い収量ポテンシャルと他の望ましい農業形質を維持しながら、穀物中の亜鉛濃度と鉄濃度 を高めた小麦品種を選抜することへの関心が高まっている。この論文はそのための関連遺伝子座を同定するきわめてlaboriousな試みの一つである。いかにも人海戦術が使える中国人らしい研究目標というべきか。この中にこれまでにイネやシロイヌナズナで同定されてきた以外の鉄や亜鉛関連の吸収、移行、転流など以外の遺伝子が発掘されれば素晴らしい研究成果になるだろう。


コムギのランドレースであるChinese Spring(チャイニーズ・スプリング)種における穀物中の亜鉛および鉄濃度のQTLの分子生物学的特性解析

Molecular characterization of QTL for grain zinc and iron concentrations in wheat landrace Chinese Spring

Mengjing Sun et al.

Theoretical and Applied Genetics (2024) 137:148


キーメッセージ : 小麦のランドレースであるChinese Springにおいて、穀物亜鉛濃度に関する3つの安定したQTLが同定された。有利な対立遺伝子は、現代の小麦品種よりもランドレースでより頻繁に見られた。

要旨: 小麦は、増加する世界人口の主要な食事エネルギー源である。亜鉛と鉄を強化した品種を開発することで、ヒトの微量栄養素欠乏症を緩和できる可能性がある。本研究では、周8425B/Chinese Springの交配から得られた245系統からなる組換え近交系（RIL）集団を用いて、4つの環境にわたる穀物亜鉛濃度（GZnC）と穀物鉄濃度（GFeC）の量的形質遺伝子座（QTL）を検出した。GZnCに関する安定した3つのQTLが染色体3BL、5AL、5BL上に同定された。これらのQTLは表現型変異の最大8.7％、5.8％、7.1％を説明し、6つのkompetitive allele specifc PCR (KASP)アッセイを用いて、土地品種と現代品種を含む125の小麦の再シークエンスで検証された。QGZnCzc.caas-3BL、QGZnCzc.caas-5ALおよびQGZnCzc.caas-5BLに対する有利対立遺伝子の頻度は、近代品種（45.9％、35.4％および40.9％）に比べて、ランドレース（それぞれ90.4％、68.0％および100.0％）で高かった。品種パネルにおけるGZnCの候補遺伝子関連研究により、QTLはさらに、それぞれ46個、4個、199個の候補遺伝子を含む8.5Mb、4.1Mb、47.8Mbの領域に限定された。5BLQTLは組換えが抑制された領域に位置していた。また、GFeCに関する安定した2つのQTLと、あまり安定しない3つのQTLが、4BS染色体（Rht-B1a）、4DS染色体（Rht-D1a）、1DS染色体、3AS染色体、6DS染色体上に同定された。本研究は、Chinese SpringにおけるGZnCとGFeCの遺伝的基盤に光を当て、小麦のバイオフォーティフィケーションに有用な分子マーカーを提供するものである。


(はじめに)

主に亜鉛（Zn）と鉄（Fe）の食事性不足に起因する微量栄養素の栄養不良は、世界的な健康懸念として広く認知されている（Welch and Graham 2004）。植物育種によって作物中の生物学的利用能の高い微量栄養素を強化することは、バイオ フォーティフィケーションとして知られ、人間の亜鉛と鉄の栄養不良に対処するための、持続可能で費用対効果の高い介入として浮上している（Welch and Graham 1999, 2004）。

世界人口の約 40%を養う主食作物であるコムギ（Triticum oestivum L.）は、1960 年代の緑の革命以降、半矮性品種と効率的な圃場管理の普及に伴い、収量が大幅に向上してきた（Hedden 2003; Peng 他 1999; Xiao 他 2022）。しかし、以前の生産パラダイムでは、小麦の栄養品質はほとんど見過ごされていた。実際、穀物亜鉛濃度（GZnC）と穀物鉄濃度（GFeC）の現代品種内での遺伝的変異は比較的限られている（Murphy ら 2008; Welch と Graham 1999）。

これまでの研究によれば、中国産小麦の平均 GZnC と GFeC は、それぞれ約 30 mg/kg と 45 mg/kg であった。これらの品種の少なくとも 87%と 72%は、適切な Zn と Fe レベルの推奨濃度を下回っていた（Liu et al.） 中国では、高い収量ポテンシャルと他の望ましい農業形質を維持しながら、GZnC と GFeC の濃度を高めた小麦品種を選抜することへの関心が高まっている（Sun ら 2023）。
生殖質資源の広範なスクリーニングの結果、野生近縁種や土地品種が、GZnC や GFeC 濃度を高める有望な貯蔵庫として浮上した（Chhuneja ら 2006; Gupta ら 2020; Monasterio and Graham 2000; Murphy ら 2008; Velu ら 2014）。しかし、野生近縁種やランドレースで一般的に観察される高い穀物微量栄養素濃度は、一般的に粒径が小さく、収穫指数が低いことに起因している（Murphy et al.） Tiwariら（2010）は、Ae. kotschyiの染色体2Sと7Uをコムギに置換することで、粒径や収穫指数に変化を与えることなく、GZnCとGFeCが改善することを示した。このことから、Ae. kotschyi は濃縮効果ではなく、穀物の微量栄養素濃度を高める独立した遺伝的メカニズムを持っていることが示唆された (Nidhi et al. 2009; Rawat et al. 2009)。

さらに、コムギのランドレ ースは、現代の遺伝子型と比較して、葉面散布後の GZnC と生物学的利用能が大幅に増加した（Jiang ら 2022 年）。この違いは、小麦の土地改良種が、穀粒へのZn蓄積という点で、おそらく現代の品種よりもZn供給源の制限に直面していることを示唆している。長期にわたる自然淘汰の結果、野生近縁種やランドレースは、Zn欠乏症に適応するための有利な遺伝子のレパートリーを獲得した。逆に、栽培条件の改善により、現代の栽培品種ではこれらの有利な遺伝子の一部が失われている。従って、コムギのバイオフォーティフィケーションには、野生近縁種とランドレースにおけるGZnCとGFeCを支える遺伝学の包括的理解が不可欠である。

GZnCおよびGFeCの遺伝率は、草丈（PH）および千粒重（TGW）とともに比較的高いことが多くの研究で報告されており、遺伝的要因がこれらの形質の決定に重要な役割を果たしていることが示されている（Heidariら 2016, 2011; Tahmasebiら 2017）。これまでのところ、GZnCとGFeCに関する数百の量的形質遺伝子座（QTL）が21本のコムギ染色体すべてにわたって同定されている（Gupta et al.） いくつかのメタQTLが1B、2B、4A、5A、5B、6A、7B染色体上に検出された（Shariatipourら 2021b; Singhら 2022）。しかし、Triticum dicoccoides由来のGpc-B1対立遺伝子のみが、いくつかのQTLとともに、異なる遺伝的背景にわたって検証に成功している（Distelfeldら、2007；Sunら、2023；Tabbitaら、2017；Uauyら、2006；Wangら、2021）。比較ゲノミクスにより、機能が保存されたオルソログ遺伝子の同定が容易になった。シロイヌナズナとイネでは、亜鉛と鉄に関わる分子プロセスと遺伝子が徹底的に研究されている（Shariatipour et al.） コムギゲノムにおけるこれらのオルソログの同定は、コムギのバイオフォーティフィケーションに貴重なリソースを提供する。

さらに、GZnCとGFeCはしばしばPHや穀物収量などの農学形質との連鎖抗力を示し、育種への応用を妨げている（Crespo-Herreraら 2016; Shariatipourら 2021c; Wangら 2021）。一方、我々の以前の研究において、いくつかのGZnCおよびGFeC遺伝子座が現代のコムギ品種において同定され、それらはPHおよびTGWとは独立しており、コムギのバイオフォーティフィケーションのための貴重な情報源となった(Sun et al. 2023; Wang et al. 2021)。GZnCとGFeCに関するQTLの探索は、コムギの近代品種において広く行われてきたが、ランドレースに関する研究は比較的限られていた（Gupta et al.）

周8425B（Rht-B1b；Rht-D1b）は中国コムギ育種の始祖親であり、1980年代に発表されて以来、600以上の商業品種の開発に極めて重要な役割を果たしてきた（Li et al.） 中国のランドレースであるChinese Spring（RhtB1a；Rht-D1a）は、コムギゲノミクス研究において重要な位置を占めており、その高品質な参照ゲノム配列はコムギの遺伝子改良のための強固な基盤を築いている（IWGSC 2018）。本研究では、周8425B/Chinese Springの交配から開発された組換え近交系（RIL）集団を用いて、以下のことを行った： (a)Chinese SpringにおけるGZnCとGFeCの安定QTLを同定し、(b)育種に使用するための育種家に優しい競合対立遺伝子特異的（KASP）アッセイを開発した。

以下（図5）の説明

候補遺伝子関連研究（CGAS）により、QGZnCzc.caas-3BLの物理的区間が25.9Mbから8.5Mbに絞り込まれた。
a QTL解析から得られたQGZnCzc.caas-3BLの物理的区間。
b QGZnCzc.caas3BLの区間内における周8425Bと中国春Chinese Springとの間の各高確率遺伝子のゲノム領域におけるSNP。
c 125のコムギのパネルにおけるQGZnCzc.caas-3BL内の候補遺伝子関連研究のローカルマンハッタンプロット。
d QGZnCzc.caas-3BLに対する46の候補遺伝子；493,400から503,200までの相関数。