農作物のカドミウム吸収抑制のために(3)低蓄積品種(石川覚)(図表)

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1 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

2 カドミウムはどうやってイネに取り 込まれるのか? 茎葉から玄米に運ばれる 吸収された Cd は根から茎葉に運ばれる 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 土壌 土壌中の Cd は根から吸収される 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?

3 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

4 エネルギー付与 ガンマ線 X 線等 物質中の透過性が高く均一なエネルギーを与える イオンビーム照射 イオンビームの特徴 細胞への照射 核ガンマ線 1 G y 2000ヶ所核 遺伝子変異 遺伝子 点突然変異が多い 軌跡と止まる直前に大きなエネルギーを与える 炭素イオン 1 G y 4 ヶ所 極少数の遺伝子を確実に変化 1 0 m m

5 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

6 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 コシヒカリ M1植物 M2種子 M1種子 玄米のCd分析 各個体から玄米の収穫 (早期落水管理 M2植物を1個体づつCd汚染 土壌入りのポットで栽培 約3,000個体を栽培

7 個体数 低 Cd コシヒカリ変異体の選抜 600 基準値 (0.4 mg kg -1 ) コシヒカリ lcd-kmt2 lcd-kmt 玄米 Cd 濃度 (mg kg -1 ) lcd-kmt: low cadmium koshihikari mutant

8 玄米 Cd 濃度 (mg kg -1 ) 稲わら Cd 濃度 (mg kg -1 ) 高 Cd 水田で栽培時の玄米 稲わら Cd 濃度 玄米 1.86 コシヒカリ lcd-kmt 稲わら 9.14 コシヒカリ lcd-kmt 基準値 ND ND ほ場 A ほ場 B ほ場 C ほ場 A ほ場 B ほ場 C ND: 定量限界値以下 (<0.01mg kg -1 ) 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 ) 低 Cd コシヒカリ ( と lcd-kmt2) は Cd を玄米や稲わらにほとんど蓄積しない

9 Straw Fe conc. (mg/kg) Straw Zn conc. (mg/kg) Straw Mn conc. (mg/kg) Straw weight (g) /plant Grain Fe conc. (mg/kg) Grain Zn conc. (mg/kg) Grain Mn conc. (mg/kg) Grain weight (g) /plant 他のミネラル濃度への影響 玄米 20 Fe 50 Zn 30 Mn 35 玄米重 WT 0 WT 0 WT 0 WT 稲わら WT Fe WT Zn WT Mn 稲わら重 WT

10 地上部 Mn 濃度 (mg/kg) 作物間での Mn 濃度の比較 ( 幼植物の水耕栽培実験 ) 地上部 Mn 濃度 コシヒカリ lcd-kmt2 コムギダイズ 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

11 低 Cd コシヒカリの生育と玄米形質 ( 農環研圃場 ) 20 cm コシヒカリ コシヒカリ コシヒカリ lcd-kmt2 5 mm lcd-kmt2 コシヒカリ コシヒカリ lcd-kmt2

12 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 /m 2 ) 倒伏程度 (0~5) 8/ lcd-kmt2 8/ コシヒカリ 8/ 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-kmt コシヒカリ 51.5 (100) 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

13 特性検定 ( 病害 耐冷性等 ) 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

14 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 基準米 : 農環研産コシヒカリ (H24 年産 ) 低 Cd 系統 総合評価 評価値信頼区間有意差 外観香り味粘り硬さ ±0.368 なし lcd-kmt ±0.368 なし ( 穀物検定協会によるデータ ) コシヒカリとの違いなし

15 Cd 吸収性の違いのみで品種登録できることになった 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 sakijun/kijun/1440.pdf

16 品種登録出願 ( 平成 25 年 8 月 ) 有望な 2 系統 ( と lcd-kmt2) のうち lcd-kmt2 を品種登録出願した 品種名 コシヒカリ環 1 号

17 低 Cd コシヒカリの 原因遺伝子の特定

18 低カドミウム遺伝子の分離比 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 25 個体数 20 カサラス 地上部Cd濃度(mg kg-1) 1 3の分離比 劣性の1遺伝子で低Cdが支配される

19 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

20 OsNRAMP5遺伝子の変異挿入部位 OsNRAMP5のゲノム構造 lcd-kmt2 (1bpの欠損 exon IX (434bpの挿入 exon X 1-bp deletion 433-bp insertion WT : TGCGCCAAC (50 exons and 383 introns) lcd-kmt2: TGCGC_AAC WT : ATTACCGGCACATACGCTGGACAGTACATCATGCAG :ATTAGGCCAGTCACAATGGGGGTTTCACTGGTGTGTCATGCACATTTAATAGGGGTAAGACTG-----AATGACACTAGCCATTGTGACTGGCCTTA(mPingA1) lcd-kmt3 (277kbpの欠損 Ishikawa et al. (2012) PNAS PCT国際特許出願中 3つの変異体は同じ OsNRAMP5遺伝子に違 う形の変異が入った

21 低CdコシヒカリのCd吸収抑制機構 放射性Cdに よる根の吸収 試験 動画 低カドミウム コシヒカリ コシヒカリ 地上部へ 根細胞 地上部へ 茎 葉 根細胞 根 導管 カドミウム Cd) 導管 根 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 コシヒカリ

22 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 )

23 低カドミウム遺伝子を検出できる DNA マーカー 用のマーカー M LK1 KH F1 M lcd-kmt2 用のマーカー制限酵素処理なし制限酵素処理 (FspI) LK2 KH F1 LK2 KH F1 kbs kbs M: サイズマーカー LK1: 低 Cd コシヒカリ () KH: コシヒカリ F1: x コシヒカリの F1 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

24 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 ) X マーカー上に低 Cd 遺伝子がある X X X 低 Cd コシヒカリ X 何度か A 品種と交配 ほとんど A 品種に戻る 自殖 ( 交配 ) X X X F1 交配すると 両方の遺伝子を持つ X ( 戻し交配 ) X X A 品種 X X 再び A 品種と交配 低カドミウムの A 品種が完成 A 品種 X マーカー上に Cd を吸収する遺伝子がある ( 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 ) 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 )

25 ヒ素とカドミウムのトレードオフ 玄米濃度(mg kg-1) 水管理 稲わら濃度(mg kg-1) 品種 系統 As Cd As Cd コシヒカリ コシヒカリ ND 24.4 ND 早期落水 常時湛水 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

26 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

27 ( 謝辞 ) ( 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 ) ( 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 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 ( ) の予算によって得られた

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