研究内容 - Satoshi Iwakami

作物栽培の歴史は、人間と雑草のバトルの歴史でもあります。

人間側は農耕地から雑草を排除しようと、次から次へと新たな技術を開発してきました。それに対し雑草側は、そんな攻撃をすり抜ける術を「進化」させてきています。作物への擬態、刈り取り圧に耐える形態、一網打尽にされないように発芽のタイミングをずらす特性など。

これまでに人間側が作り出した最強のツールが除草剤です。作物と雑草の小さな違いを巧妙に突くことで、雑草のみに致死的に作用するようにデザインされています。一見勝ち目がないような圧倒的なストレスに対しても、雑草はそれまでと同様に、むしろそれまでよりもより短い時間で、抵抗性を獲得してきました。

私は、農耕地で繰り広げられてきた人間と雑草のバトルを、作物や雑草のゲノムや遺伝子の解析から読み解いていきたいと考えています。

解毒型スーパー雑草

抵抗性雑草の中でも問題となるのが、除草剤の解毒(代謝)能の向上させることにより抵抗性を獲得した雑草です。こうした解毒型の抵抗性雑草は、散布歴のない化学骨格や作用機構の全く異なる除草剤に対しても抵抗性を示すことが多く、その防除は困難です。

私たちは、アメリカ・カリフォルニア州で1990年代の後半に発見されたイネ科水田雑草タイヌビエの抵抗性機構を解析してきました。このタイヌビエは、当時カリフォルニアで使用されていた除草剤のみならず、その後、上市された骨格や作用機構の異なる新規除草剤に対しても抵抗性を示すことが知られていました。

抵抗性には酸化酵素シトクロムP450が関わると推定されていましたが、植物のP450遺伝子は数が膨大で原因遺伝子を特定するのは、ゲノム情報の整備されていない雑草では難しい課題でした。タイヌビエの他にも似たような抵抗性機構を持つ雑草は複数報告されていましたが、いずれの種でも抵抗性の分子機構はよく分かっていませんでした。

そうした中、私たちは抵抗性に関わるシトクロムP450遺伝子を同定することに成功しました。抵抗性タイヌビエでは2つのシトクロムP450(CYP81A12とCYP81A21)が活性化(過剰発現)しており、これらのP450は極めて多様な除草剤を解毒代謝します。その後の研究で、タイヌビエのゲノムにはCYP81A12とCYP81A21とは得意な除草剤の異なる除草剤解毒代謝遺伝子が他にも複数備わっていることも分かりました。これらの遺伝子を利用した進化も世界のどこかですでに起こってかもしれません。

現在は同定したP450の発現制御機構や、この抵抗性機構の一般性について研究を続けています。

関連成果

  • Iwakami et al. 2014 Plant Physiology
  • Iwakami et al. 2019 New Phytologist
  • Guo et al. 2019 Plant Science
  • Dimaano et al. 2020 Plant Molecular Biology
  • Suda et al. 2023 Plant Physiology

 

除草剤抵抗性進化は収斂する

遺伝的系譜の異なる生物集団が、類似した形質を独立に進化させる現象を収斂進化と言います。除草剤抵抗性の進化は収斂進化の代表例で、雑草種やその生息地域を問わず除草剤抵抗性の進化が報告されてきました。

抵抗性メカニズムの多くは、除草剤の標的タンパク質の構造変異によるものであり、多くの種で、同じ遺伝子に同じ変異が認められることから、抵抗性進化は遺伝子レベルでの収斂(分子収斂)によることが明らかになってきています。言い換えれば、進化を駆動することのできる遺伝子は限定的であることを意味しており、この知見を元に抵抗性の遺伝子診断技術や、抵抗性対策除草剤(=抵抗性雑草にも効果のある除草剤)の整備も進められてきています。

私たちは水田雑草コナギのALS阻害型除草剤(ALS剤)抵抗性を題材に、この分子収斂性をさらに掘り下げることにしてみました。ALS剤の標的をコードするALS遺伝子を1つしか持たない雑草も多い中、コナギは少なくとも4つの遺伝子(ALS1〜ALS4)を持つことが知られていました。私たちはまず、コナギのALS遺伝子について丁寧に解析し、5つ目の遺伝子ALS5を発見しました(Iwakami et al. 2020)。次に、全国の水田からコナギを収集し、そこに含まれる60以上の抵抗性集団についてALS遺伝子の変異を調べていきました。すると、抵抗性変異はALS1ALS3にしか見つからず、ALS2ALS4ALS5では抵抗性変異が見つかりませんでした。突然変異自体はランダムに生じると仮定すると、ALS2ALS4ALS5を利用した抵抗性の進化が起こってもよいように思えます。

この偏りのメカニズムを調べるために各ALSの機能や発現レベルを調べたところ、コードするタンパク質に大きな違いはないものの、ALS1ALS3以外のALS遺伝子は発現量が著しく低いことがわかりました。これらのことから、ALS1やALS3以外の遺伝子については、これらの遺伝子に変異が生じても抵抗性が発現しないことが示唆されました。生物のゲノムに同じ形質を進化させる遺伝子が潜在的に複数備わっている場合、適応進化に利用されるかどうかはその遺伝子の発現量が強く規定することを示しています。

現在は、この解析の中で見つかってきた抵抗性遺伝子変異の効果や、より詳細な遺伝子発現様式などを調べています。

関連研究

  • Iwakami et al. 2020 Pesticide Biochemistry and Physiology
  • Tanigaki et al. 2021 New Phytologist プレスリリース

作物には除草剤が効かない!

雑草の抵抗性が問題となる一方で、除草剤による雑草防除に成功している農耕地もたくさんあります。除草剤による雑草防除を可能にしているのが、除草剤の選択性です。農耕地で利用される除草剤の多くは、雑草を枯死させる一方で作物の生育には影響のないように作られています。同じ植物でもあっても、除草剤は作物と雑草の間に存在する違いをうまく利用することで選択性を達成していますが、この違いは解明されていないことがほとんどです。私たちは選択性除草剤が利用している作物と雑草の違いを遺伝子レベルで解明しようとしています。

関連研究

  • Saika et al. 2014 Plant Physiology
  • Guo et al. 2021 Pest Management Science
  • Ha et al. 2022 Pest Management Science
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