研究者らがフラントイオとレッチーノのゲノム解読を完了
2年間にわたる綿密な研究の結果、研究者たちは、一部のオリーブが気候変動の影響に対してより強い耐性を持つ理由の解明に、一歩近づいた。
国際的な研究者チームが、オリーブ樹の品種「レッチーノ」と「フラントイオ」の全ゲノム解読に成功した。
現在、数十カ国で栽培されているこれら2つのイタリア原産の栽培品種のゲノム解読により、研究者らは両者を比較することが可能となり、オリーブの遺伝学に対する理解を深める道が開かれることになる。
「気候変動の時代において、オリーブのゲノムについてより深く知ることは、これらの木が、重大かつ時には新たな環境ストレス要因にどのように反応するかをより深く知ることを意味します」と、ルカ・セバスティアーニ氏は述べています。
「ゲノム解析により、これら2つの栽培品種がなぜ異なるのかを理解するための『語彙』を得ることができます」
この研究のコーディネーターであり、ピサのスクオーラ・スペリオーレ・サンタ・アンナで園芸科学の教授も務める同氏は、Olive Oil Timesに対し、ゲノミクスによって地中海沿岸地域でより耐性のあるオリーブ園が実現できる可能性があると語った。
「気候変動に適応するためには、耐性のある遺伝子型と、適切な農業技術が必要だ」とセバスティアーニ氏は述べた。 「水が不足すれば、灌漑が必要になるだけでなく、水を効率的に利用する品種も必要となるでしょう。また、気温の上昇、新たな病原体への感受性、害虫の被害といった課題もあります」
「遺伝子マッピングは、解決策をより迅速に見出すことを可能にするツールの一つです」と彼は付け加えた。
オリーブの遺伝子編集はまだ始まったばかりだが、2つの品種のゲノムを比較することで、従来の育種プログラムよりも迅速に、より耐性のある木を生み出すことができる可能性がある。
遺伝学とゲノミクス
遺伝学とは、個々の遺伝子、それらが形質や遺伝にどのように影響するかを研究する学問である。ゲノミクスとは、ゲノム内のすべての遺伝子、およびそれらが互いに、また環境とどのように相互作用するかを研究する学問である。
フラントイオとレッチーノは、環境ストレスへの対処法と同様に、科学文献で十分に研究されています。
「干ばつ、そして特に塩分に対するストレスへの反応は、非常に興味深いモデルとなっています。なぜなら、フラントイオは耐性があるのに対し、レッチーノはそれほど耐性がないからです」とセバスティアーニ氏は述べています。
「私たちはこの違いの背後にあるメカニズムを解明するために長年にわたり研究を続けてきましたが、ゲノムデータがなければ、どの遺伝子が関与しているのかを完全に理解することは常に困難でした」と彼は付け加えた。
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研究者らによると、従来の育種によるオリーブ品種の選定は時間がかかり、必ずしも最良の結果が得られるとは限らないという。
論文の中で研究者らは、「遺伝子の位置や構造に関する正確な分子情報が大部分欠落している」ため、結果にばらつきが生じていると指摘した。科学者たちがこのマッピングを完了させるには2年以上を要した。
「イタリアの国家復興・レジリエンス計画からの資金提供と、我々が比較的大きな研究グループであったおかげで、これを成し遂げることができました」とセバスティアーニ氏は述べた。同グループには、アリゾナ大学やサウジアラビアのキング・アブドゥッラー科学技術大学の研究者も参加していた。
両品種においてロングターミナルリピート（LTR）の割合が高いことが判明し、ゲノムに著しい類似性があることを示唆している。
繰り返される DNA 配列は、進化によって形成されたものであり、ゲノムの安定性や完全性の維持を助けるなど、重要な役割を果たしている可能性があるため、決してランダムなものではありません。
「ゲノムの異なる部分がどのように相互作用しているのか、まだよくわかっていません」とセバスティアーニ氏は述べた。 「異なる栽培品種についてこの情報を得たことで、それらの違いを把握し始められるようになり、今後数年間でこの種をより深く理解する助けとなるでしょう。」
彼は、2つの栽培品種のゲノムを解読する際に研究者が直面した課題を、ピースの半分が澄んだ青空の絵柄になっているジグソーパズルを完成させることに例えた。
「そのような場合、パズルのピースを繋ぎ合わせる作業は、バリエーションが豊富なパズルに比べてはるかに複雑になります」と彼は述べた。「オリーブでは、高度に反復する領域が多数存在するため、これが問題となります。」
ゲノム内の遺伝子の位置を特定することは、生のDNA配列を実用的な知識に変換するための基礎であり、 また、研究者が遺伝子を収量、油の組成、あるいは病害虫への耐性といった特定の形質と結びつけるのにも役立ちます。
この知識により、育種プログラムが加速され、時間のかかる無作為な選抜が、的を絞ったアプローチに取って代わられます。
また、遺伝子の位置は、それらがどのように制御され、相互作用しているかを明らかにし、適応や家畜化に関する洞察をもたらします。
オリーブの場合、正確なマップにより、科学者は栽培品種を比較し、進化上の変化を追跡し、マーカー支援育種や遺伝子編集などの精密なツールを設計して、より耐性が高く高品質な品種を開発することが可能になります。
「このような高品質なマッピングは、非常に大きな断片をシーケンシングできる技術があって初めて可能になり、それが作業を容易にします」とセバスティアーニ氏は述べた。
「長年にわたり、技術は飛躍的に進化してきました」と彼は付け加えた。「今日では、以前は不可能だったより長いDNA断片のシーケンシングを可能にするPacBioがあります。」
土壌の塩分濃度や干ばつによって引き起こされるようなストレス状態では、関与する遺伝子はごくわずかであり、2つの栽培品種間で差異が観察されることがあります。
「遺伝子構造のわずかな違い、あるいは遺伝子の発現量を調節するプロモーター領域の違いさえも、その遺伝子が全く機能しなくなったり、活性が低下したり、あるいは高くなったりする原因となり得ます」とセバスティアーニ氏は述べた。
同氏は、その違いを特定し理解することが極めて重要であると付け加えた。
「ある種のストレスに関与する遺伝子が、フラントイオ種ではある構造を持ち、レッチーノ種では別の構造を持ち、フラントイオ種ではより良く機能し、レッチーノ種では機能が悪いことを理解できれば、 「RNAシーケンシングやその他の技術を用いた遺伝子発現解析手法を活用し、その構造的変異が活性に影響を与えるかどうかを確認することもできる」とセバスティアーニ氏は述べた。
「もし影響があると判明すれば、現在では遺伝子編集技術も利用可能です」と彼は付け加えた。「オリーブの分野ではまだそれほど効果的ではありませんが、レッチーノの遺伝子を書き換え、フラントイオの遺伝子の形を模倣させ、その情報を転送して働きを変えることは可能です。」
しかし、セバスティアーニ氏は、オリーブの遺伝子編集に関する研究は、他の種と比較すると、まだ実験の初期段階にあると説明した。
「私の研究グループでは、ポプラ（35種のヤナギ属）の研究も行っています」とセバスティアーニ氏は語った。「ポプラでは、すでにそれが可能です。オリーブの木の場合、問題は依然として、これらの編集技術を用いた形質転換の難しさにあります。解決には数年かかるかもしれません。」
遺伝子編集技術は急速に進歩しているものの、セバスティアーニ氏は、これにかかる期間を予測することは不可能であると認めた。
それでも、彼はゲノミクスおよび関連技術の急速な発展が、従来のアプローチに比べれば比較的短期間で影響を与える可能性があると考えている。
「今日では、分子生物学の助けを借りた従来の技術を用いても、レッチーノとフラントイオを交配して耐塩性を移入する場合、植物が成長するのを待ってから試験を行わなければなりません。それには非常に長い時間がかかります」と彼は述べた。
「その代わりに、遺伝子構造を直接調べれば、ゲノミクスやその他の技術を使ってすでに追跡することができます」とセバスティアーニ氏は付け加えた。「今日では、低コストで全ゲノムをシーケンシングすることも可能ですし、リファレンスゲノムがすでに手元にあるため、その遺伝子がどこにあり、どのような位置にあるかを正確に把握できます」
「レッチーノを例にとると、耐性を高める遺伝子が2つか3つあることが分かっているため、それらだけを改変すればよいのです」と彼は指摘した。「遺伝子編集を用いれば、すべてがうまくいけば、1、2年で実験室レベルで実現できるでしょう。それは大きな前進となるはずです」
ゲノム解析とオリーブの遺伝子マップの作成は、オリーブ栽培への新たなアプローチへの道を開く可能性がある。
従来の農業では樹齢100年以上のオリーブ園が一般的だが、遺伝子編集された品種を植えた新しいオリーブ園は、地中海気候の温暖化と乾燥化が進む中で、生産を支える上で極めて重要な役割を果たす可能性がある。
「こうした新しい知見は、生産性の向上、イノベーション、そして生産者向けの解決策につながる可能性があります」とセバスティアーニ氏は述べた。
研究チームは、この新しいゲノム情報を活用して、塩ストレスに対する 2 つの栽培品種の反応の違いについて、より深い理解を得ようとしています。
「また、可能であれば、汚染物質を含む他のストレスへの反応について、我々が関心を持つさらなる品種についてもゲノム解析を行う計画です」とセバスティアーニ氏は締めくくった。「メカニズムをより深く理解するために、間違いなくゲノム解析を活用していくつもりです。」