何世紀にもわたる品種改良の後、トマトは現在、サクランボのようなものから大きな在来種の果物まで、あらゆる種類の形とサイズをとっています。科学者たちは、遺伝子のレベルで、これらの身体的変化がどのように、そしてなぜ現れるのかを解き明かしています.クレジット:Lippman Lab/CSHL/HHMI
人間の食欲は、トマトの DNA とすべてを変えました。何世紀にもわたる繁殖の後、かつてはエンドウ豆ほどの大きさだった南米のベリーが、今ではサクランボのようなものから重厚な家宝の果物まで、あらゆる種類の形や大きさになっています。
今日、科学者たちは、これらの物理的変化が遺伝子のレベルでどのように現れるかを解き明かしています。この研究は、トマトを微調整する現代の取り組みを導く可能性があると、ハワード・ヒューズ医学研究所の研究者であるザカリー・リップマンは言います.
彼と同僚は現在、100 種類のトマトのゲノム内に長い間隠されていた隠れた突然変異を特定しました。これには、ガラパゴス諸島のオレンジ色の果実を持つ野生の植物や、通常はケチャップやソースに加工される品種が含まれます。
2020 年 6 月 17 日のジャーナル Cell に掲載された彼らの分析 、どの植物についても、DNAの長いセクションを変更するそのような突然変異の最も包括的な評価です.この研究は、新しいトマト品種の作成と既存品種の改良につながる可能性があると、リップマンは言います。彼のチームが特定したほんの一握りの突然変異が、味や重さなどの重要な特徴を変えることを研究者は示しました。
Cold Spring Harbor Laboratory の植物遺伝学者である Lippman は、これまでの研究で、これらの突然変異が植物ゲノムに存在することが長い間示されてきたと述べています。 「しかし、これまでは、それらを見つけてその影響を研究する効率的な方法がありませんでした」と彼は言います。
ゲノムへの窓
生物の細胞内で運ばれる 4 種類の DNA 文字の突然変異または変化は、その物理的特性を変化させる可能性があります。植物を研究している科学者は、通常、1 つの DNA 文字が別の文字に交換される、小さくて扱いやすい種類の突然変異に注目してきました。
リップマンのチームが調査した変異は、はるかに大きく、DNA の長い部分をゲノムのどこかにコピー、削除、挿入、または移動することによって、DNA の構造を変更します。これらの突然変異は、構造変化とも呼ばれ、生物界全体で発生します。たとえば、人間を対象とした研究では、これらのバリエーションが統合失調症や自閉症などの障害に関連付けられています。
研究者たちは、構造の変化、この場合は遺伝子のコピー数が果実を変える可能性があることを示しました。 3 つの遺伝子コピーを持つ植物 (左) は、1 つの遺伝子コピーを持つ植物 (右) よりも 30% 大きい果実を成長させました。クレジット:M. アロング他 / Cell 2020
科学者は、遺伝子配列決定と呼ばれる技術を使用して DNA の文字を読み取ることにより、突然変異を特定できます。しかし、この技術には限界があるため、DNA の長い部分を解読することは困難であると、リップマンは言います。そのため、研究者はゲノムの構造変異の全体像を捉えることができませんでした.
それでも、植物遺伝学者は、これらの変異が植物の形質に大きく寄与しているのではないかと考えている、とニューヨーク大学でイネとナツメヤシを研究している Michael Purugganan は言う。 「だからこそ、この論文は非常に興味深いものです」と彼は言います。リップマンのチームは、トマトとその近縁の野生種でこれらの変異を発見しただけでなく、それらが植物内でどのように機能するかを決定したと彼は言います.
未来のトマトのガイド
ジョンズ・ホプキンス大学のマイケル・シャッツらと共同で行った新しい研究では、ロングリードシーケンシングと呼ばれる手法を使用して、トマトの 200,000 を超える構造変異を特定しました。リップマンはそれを、パノラマの窓を通してゲノムの大部分を眺めることになぞらえる。比較すると、従来の配列決定では、のぞき穴しかありませんでした、と彼は言います。
彼らが発見した変異の大部分は、形質をコードする遺伝子を変更しません。しかし、明らかなことは、これらの突然変異の多くが遺伝子の活動を制御するメカニズムを変化させるということです、とリップマンは言います。たとえば、そのような遺伝子の 1 つがトマトの果実の大きさを制御します。 DNA 構造を変更することで、この場合は遺伝子のコピー数を変更することで、リップマンのチームは果実の生産を変更することができました。この遺伝子を欠く植物は決して実を結びませんでしたが、遺伝子のコピーが 3 つある植物は、1 つのコピーしかない植物よりも約 30% 大きい実を結びました。
リップマンのチームはまた、彼が「非常に複雑」と呼ぶ例で、DNA 構造が形質にどのように影響するかを示しました。彼らは、主要な収穫形質を現代のトマトに育種するには、4 つの構造変異が一緒に必要であることを示しました。
この種の洞察は、他の作物の形質の多様性を説明するのに役立ち、育種家が品種を改善できるようになる可能性があると、リップマンは言います。たとえば、おそらくトマトの近縁種である小さなすりつぶしたチェリーにサイズ遺伝子の余分なコピーを追加すると、トマトを大きくすることで魅力を高めることができると彼は言います.
「農業における究極の目標の 1 つは、『この遺伝子を変異させれば、生産物がどうなるかがわかります』と言えるようになることです」と彼は言います。 「この分野は、この種の予測可能な育種に向けて重要な一歩を踏み出しています。」
参照:「トマトの遺伝子発現と作物改良に対する広範な構造的変異の主な影響」マイケル・アロンゲ、シンガン・ワン、マティアス・ブノワ、セバスチャン・ソイク、ララ・ペレイラ、レイ・チャン、ハムシニ・スレシュ、スリヴィディア・ラマクリシュナン、フロリアン・マウムス、ダニエル・サイレン、ユヴァルレヴィ、トム・ハイ・ハレル、ギリ・シャレフ＝シュロッサー、ジヴァ・アムセレム、ハミド・ラジファード、アナ・L・カイセド、デニス・M・ティーマン、ハリー・クレー、メラニー・キルシュ、セルゲイ・アガネゾフ、T・ライカー・ラナロ＝ベナビデス、ザカリー・H・レモン、ジェニファー・キムジーナ・ロビタイユ、メリッサ・クレイマー、サラ・グッドウィン、W. リチャード・マッコンビー、サミュエル・ハットン、ジョイス・ヴァン・エック、ジェシー・ギリス、ユヴァル・エシェッド、フリッツ・J・セドラゼック、エスター・ファン・デル・クナープ、マイケル・C・シャッツ、ザカリー・B・リップマン、6月17日2020、セル .
DOI:10.1016/j.cell.2020.05.021
