アフリカのVigna属野生種

Vigna属の起源地は西アフリカであると考えられており，それだけアフリカに生息するVigna属野生種の多様性は非常に高い．しかしながらアフリカにおけるVigna属野生種の探索はいまだ十分に行われているとは言えず，今後さらに魅力的な野生種が発見される可能性も十分にある．

1.　Vigna marina⁽³⁾3) N. Maxted, P. Mabuza Dlamini, H. Moss, S. Padulosi, A. Jarvis & L. Guarino: “African Vigna: an ecogeographic study,” International Plant Genetic Resources Institute, 2004.

V. marinaはVigna属野生種の中でも最も注目すべきものの一つである．主な生息地は海岸沿いの砂浜であり，現地の植生の中でも最も海よりの位置を占める（図2図2■Vigna marinaの植生）．したがって非常に優れた耐塩性を示し，2％以上の食塩水にさらされても枯れることはない．さらに，炭酸カルシウムを豊富に含む珊瑚礁の砂浜にも生育できることから，アルカリストレスに対しても非常に優れた耐性をもつ．また，種子の内部に空隙があり，海流に乗って種子を散布できるためその生息域は熱帯・亜熱帯のアフリカ東部・インド洋から太平洋沿岸まで広がっている．

図2■Vigna marinaの植生

モルディブ諸島では食用に栽培されているとの報告があるほか，オーストラリアのアボリジニーは根を食用に利用することがあるという⁽³⁾3) N. Maxted, P. Mabuza Dlamini, H. Moss, S. Padulosi, A. Jarvis & L. Guarino: “African Vigna: an ecogeographic study,” International Plant Genetic Resources Institute, 2004.．

アジアのVigna属野生種

Vigna属の起源地がアフリカということもあり，アジアのVigna属野生種の遺伝的多様性は南アジアで高く，次いで東南アジアが続き，東アジアが最も低い．しかしアジアの野生種にもやはりさまざまなストレス環境に適応した種が多く存在し，その中にはV. trilobataやV. mungoのようにそれぞれ正反対の環境に適応し，非常に特徴的な根の形態を獲得した種もある．

1.　Vigna trilobata⁽⁴⁾4) N. Tomooka, D. Vaughan, H. Moss & N. Maxted: “The Asian Vigna: Genus Vigna subgenus Ceratotropis genetic resources,” Kluwer Adacemic Publishers, 2002.

V. trilobataはインド～スリランカの乾燥した砂地に生え，非常に優れた耐乾性をもつ．また，ほとんど側根のない直根が地下深くに真っ直ぐ伸びるという特徴的な根系を形成する（図3図3■V. trilobataの根．側根がほとんど形成されない）．インドのタミル・ナドゥ地方では家畜の餌として利用されることが多いが，種子を食べる人々もいる．

図3■V. trilobataの根．側根がほとんど形成されない

インドに分布するV. trilobataは内陸部に生息し，耐乾性に優れる一方で耐塩性は非常に低い．一方，スリランカに見られるV. trilobataは沿岸部に集中しており，耐乾性・耐塩性ともに高い．したがって，V. trilobataは植物の耐塩性進化を解明するうえでも興味深い種である．

2.　Vigna mungo⁽⁴⁾4) N. Tomooka, D. Vaughan, H. Moss & N. Maxted: “The Asian Vigna: Genus Vigna subgenus Ceratotropis genetic resources,” Kluwer Adacemic Publishers, 2002.

V. mungoには栽培化されたものがあり，インドではリョクトウと並んで重要なマメ科作物となっている．この種は野生型，栽培型ともに湿害に対して非常に強く，地下部が冠水すると迅速に通気組織が形成される．そして驚くべきことに，冠水に応答して根の伸長方向が逆転し，マングローブのような気根を形成するに至る（図4図4■冠水条件に置かれたV. mungoの根）．

図4■冠水条件に置かれたV. mungoの根

3.　Vigna exilis⁽⁴⁾4) N. Tomooka, D. Vaughan, H. Moss & N. Maxted: “The Asian Vigna: Genus Vigna subgenus Ceratotropis genetic resources,” Kluwer Adacemic Publishers, 2002.

V. exilisは東南アジアの石灰岩カルストにのみ特異的に分布する種であり，アルカリ耐性をもつ遺伝資源として非常に有望である．しばしば露出した石灰岩の岩山や岩壁に生えており，岩の割れ目に根を伸長する（図5図5■石灰岩の割れ目に根を張るV. elixis）．また種子は非常に細長い形態をしており，そのため岩の窪みや割れ目に引っかかりやすくなっていると考えられる．また，カルストは土壌が少なく，雨水がすぐに流れ去ってしまうため，V. exilisは耐乾性もかなり高い．

図5■石灰岩の割れ目に根を張るV. elixis

5.　Vigna nakashimae⁽⁴⁾4) N. Tomooka, D. Vaughan, H. Moss & N. Maxted: “The Asian Vigna: Genus Vigna subgenus Ceratotropis genetic resources,” Kluwer Adacemic Publishers, 2002.

V. nakashimaeはV. riukiuensisの近縁種であるが，全般的に耐塩性は低い．しかし長崎県五島列島では海に面した斜面に生息する集団が存在し，これらは耐塩性が高いことが示されている．しかも，V. nakashimaeの耐塩性系統がもつ耐塩性機構はV. riukiuensisのそれとは異なることも明らかとなっている．V. nakashimaeが植物体へのNa^＋イオンの流入を抑制するのに対し，V. riukiuensisはむしろ積極的にNa^＋イオンを吸収するのである⁽⁵⁾5) Y. Yoshida, R. Marubodee, E. Ogiso-Tanaka, K. Iseki, T. Isemura, Y. Takahashi, C. Muto, K. Naito, A. Kaga, K. Okuno et al.: Genet. Resour. Crop Evol., 63, 627 (2015).（図6図6■100 mM NaCl条件下において，V. nakashimae（上）およびV. riukiuensis（下）の器官ごとのナトリウムイオン蓄積量）．V. riukiuensisとV. nakashimaeはいずれもアズキと交雑可能であることから，アズキに双方の耐塩性メカニズムを導入することで，超耐塩性アズキを作出することも可能であると考えられる．

図6■100 mM NaCl条件下において，V. nakashimae（上）およびV. riukiuensis（下）の器官ごとのナトリウムイオン蓄積量

6.　Vigna stipulacea⁽⁴⁾

V. stipulaceaは比較的水が豊富に得られる環境に生息しているが，病原菌や害虫などの生物ストレスに対して極めて強いという特徴をもつ（図7図7■2011夏に同一圃場で栽培した栽培型アズキ（左）とV. stipulacea）．2011年にはインドのタミル・ナドゥ地方で半栽培化された系統が発見され，食用および牧草に利用するために栽培されている．現地の人々はリョクトウ（V. radiata）やケツルアズキ（V. mungo）などの栽培種よりもこの半栽培型V. stipulaceaを好んで食べ，市場での種子の取引価格もV. stipulaceaのほうが高い．また現地の農民によれば，V. stipulaceaを栽培するにあたって農薬は一切必要ないという．

図7■2011夏に同一圃場で栽培した栽培型アズキ（左）とV. stipulacea

鱗翅目昆虫により食害の程度が大きく異なっている．

Vigna属遺伝資源の耐塩性評価試験

以上のようにVigna属にはさまざまなストレス耐性を有する野生種が多数存在するが，われわれの研究室では特に耐塩性に焦点をあてて研究を進めている．塩害は灌漑農業が行われている地域で特に深刻な問題となっているためだ．

降雨の少ない地域で灌漑農業を行うと，河川から引き込んだり地下水脈から汲み上げたりした水に微量に含まれる塩類が土壌に集積し，ついには結晶化してしまう．こうなると，圃場は2度と作物を栽培することができない塩の砂漠となってしまう．現在地球上で灌漑農業が行われている農地の約半分がこの問題を抱えており，放棄される圃場は毎年1千万ヘクタールにも及ぶと言われている．

そこで，われわれは世界各地から採集されたVigna属遺伝資源69系統を用いて耐塩性評価を行うことにした．同時に，DNA配列を用いて進化系統樹を作成し，耐塩性と系統進化との関係に何らかの相関があるかどうかを調査した（図8図8■Vigna属遺伝資源の進化系統樹と耐塩性レベル．耐塩性系統が系統樹上で複数のクラスターに分散していることから，耐塩性機構はそれぞれ独立に，しかもかなり短期間に獲得されたことが示唆される．）．

図8■Vigna属遺伝資源の進化系統樹と耐塩性レベル．耐塩性系統が系統樹上で複数のクラスターに分散していることから，耐塩性機構はそれぞれ独立に，しかもかなり短期間に獲得されたことが示唆される．

その結果，10系統が200 mM NaClという強い塩ストレス条件下でも，ほとんどダメージを受けないことが明らかとなった．しかも，これら10の系統が，進化系統樹の上では4つのクラスターに分散していたのである（図8図8■Vigna属遺伝資源の進化系統樹と耐塩性レベル．耐塩性系統が系統樹上で複数のクラスターに分散していることから，耐塩性機構はそれぞれ独立に，しかもかなり短期間に獲得されたことが示唆される．）．これは，Vigna属においては，種分化の過程で少なくとも4回は独立に耐塩性が進化したことを示唆している．系統によっては僅か5万年の間に耐塩性を獲得したと考えられるものもあり，耐塩性が短期間で容易に進化しうると考えられた．

さらに詳しく調査するため，植物体を根・茎・葉に分割して各器官に蓄積したNa^＋イオンの濃度を測定することにした．その結果，同一のクラスター内に，根でNa^＋イオンをフィルターして葉への蓄積を防いでいるものと，大量のNa^＋イオンを葉に蓄積したものとが混在していたのである．したがって，耐塩性の獲得がより頻繁に生じていた可能性がある．

この結果は耐塩性系統と感受性系統が容易に交雑可能であることも示しており，今後はこれらの交雑によって得られた集団を使い，耐塩性遺伝子を遺伝学的に単離していきたいと考えている．

福島県相馬市における塩害圃場栽培試験

2011年3月11に東日本大震災が起こり，東北地方沿岸部では津波のために広大な塩害農地が発生した．そこで筆者らは2013年に福島県相馬市の農家から，津波を被った塩害圃場および脱塩処理によって一般的な農作業が可能となった脱塩圃場の一角を借り受け，ダイズおよびVigna属野生種の栽培試験を行った．

この実験に用いたのは福島県で主要栽培品種となっているダイズ（タチナガハ）と，上述の耐塩性試験により選抜された野生種V. marina, V. trilobata, V. riukiuensis，およびV. nakashimaeの4種である．

その結果，塩害圃場に植えられたダイズ品種タチナガハは全滅してしまったのに対し，Vigna属の耐塩性野生種は4種すべてが脱塩圃場よりも塩害圃場でより高い地上部乾物重を示した⁽⁵⁾5) Y. Yoshida, R. Marubodee, E. Ogiso-Tanaka, K. Iseki, T. Isemura, Y. Takahashi, C. Muto, K. Naito, A. Kaga, K. Okuno et al.: Genet. Resour. Crop Evol., 63, 627 (2015).（図9図9■福島県相馬市の脱塩圃場および塩害圃場で実施した栽培試験の結果）．したがって，Vigna属がもつ耐塩性は，圃場レベルでも十分に通用するものであることが示されたと言える．

図9■福島県相馬市の脱塩圃場および塩害圃場で実施した栽培試験の結果

2012年6月11日に播種し，10月31日に地上部をサンプリングして乾物重を測定した．

Vigna属ゲノムプロジェクト

上記以外にも，高いストレス耐性を有する野生種は多数存在する．農研機構遺伝資源センターには8,000点を超えるVigna属遺伝資源が保存されているが，耐塩性以外にも，やはり系統関係上は隣り合った2系統が，種々のストレスに対して全く異なる耐性レベルを示すことがしばしば観察されている．このようなケースではストレス耐性が進化学的に極めて短い期間で獲得されたと考えられる．したがって，それらのストレス耐性が，比較的単純で効果の大きな遺伝変異によって支配されている可能性は高いと期待される．

また，Vigna属は系統関係の近いもの同士であれば種間交雑も可能であるため，特定のストレスに対して強いものと弱いものとを交雑して後代集団を作ってしまえば，連鎖解析によって耐性遺伝子の座乗位置を容易に特定できる．筆者らはすでにV. marinaを用いたQTL解析を行っており，その極めて優れた耐塩性の約50％が，単一の遺伝子座によって説明できることを明らかにしている⁽⁶⁾6) S. Chankaew, T. Isemura, K. Naito, E. Ogiso-Tanaka, N. Tomooka, P. Somta, D. A. Vaughan & P. Srinives: Theor. Appl. Genet., 127, 691 (2013).．

さらに，Vigna属はV. reflexopilosa（4n）を除けばほぼすべての種が2倍体であり，ゲノムサイズも430～680 Mbと比較的小さい．したがって全ゲノムを解読することも現実的に可能であり，それによってVigna属野生種がもつ有用遺伝子の同定を飛躍的に加速することができる．

そこで筆者らは，Vigna属植物の全ゲノムを解読するVignaゲノムプロジェクトを立ち上げた．ここ数年，次世代シーケンサーの普及によって多くの生物種のゲノム配列が報告されているが，ショートリードによるアセンブルでは遺伝子アノテーションの10～20％が不正確であることが示唆されている⁽⁷7) C. Alkan, S. Sajjadian & E. E. Eichler: Nat. Methods, 8, 61 (2011).^～9)9) H. Sakai, K. Naito, E. Ogiso-Tanaka, Y. Takahashi, K. Iseki, C. Muto, K. Satou, K. Teruya, A. Shiroma, M. Shimoji et al.: Sci. Rep., 5, 16780 (2015).．この問題を回避するため，Vigna属ゲノムプロジェクトにおいては，10 kb以上のロングリードを得ることができるPacBioシーケンサー⁽¹⁰⁾10) J. Eid, A. Fehr, J. Gray, K. Luong, J. Lyle, G. Otto, P. Peluso, D. Rank, P. Baybayan, B. Bettman et al.: Science, 323, 133 (2009).のみによるアセンブルを行っている．このうちアズキの全ゲノム解読はすでに完了しており，得られたアセンブルの総延長はアズキゲノム（540 Mb）の95％に達し，そのギャップ率は僅か0.1％である⁽⁹⁾9) H. Sakai, K. Naito, E. Ogiso-Tanaka, Y. Takahashi, K. Iseki, C. Muto, K. Satou, K. Teruya, A. Shiroma, M. Shimoji et al.: Sci. Rep., 5, 16780 (2015).．野生種についても計19種の全ゲノムをPacBioによって解読する予定であり，このうちいくつかについてはすでにアセンブルを完了し，アズキゲノムと同様の数値を得られている．

今後，野生種同士の全ゲノム配列を比較解析することにより，Vigna属がもつ優れた環境適応性の一端が明らかになることを期待している．また，ゲノムが解読されることによって交雑集団を用いた遺伝解析が大幅に効率化すると期待される．

野生種を作物化できるか

野生の遺伝資源を育種に利用する場合，一般に考えられるのは野生種がもつ有用な形質や遺伝子を，栽培種へ導入するというやり方である．しかし有用遺伝子を種の壁を越えて応用する場合には，どうしても遺伝子組換えによる形質転換に頼らざるをえない．組換え体を一般圃場で栽培するには長期にわたって環境試験や安全性評価を行う必要があるため，ストレスに強い作物を開発することに成功したとしても，それを市場に提供するまでにはさらに10年単位の時間が必要となる．

ならば，従来の発想を逆転させ，野生種を作物として利用するという選択肢を考えてもいいのではないだろうか．幸いにも，Vigna属野生種には現地住民によって食用に利用されているものが多数ある．しかもストレス耐性については栽培種とは比較にならないほど優れているため，野生種を栽培化できればストレス環境適応型の新作物となる⁽¹¹⁾11) 友岡憲彦：豆類時報，78, 2 (2015).．

しかしながら，野生種には栽培上不都合な形質が多数ある．そのうち特に重大なのが裂莢によって完熟種子が飛散してしまうこと，可食部（種子）が小さいこと，および種子休眠のために種をまいても簡単には発芽しないことである．農耕を始めた人類は，これらの不良形質が改善したものを繰り返し選抜して栽培したため，現在のような作物が生まれた．

そして重要なことは，この栽培化に伴う不良形質の消失は，少数の遺伝子が機能を欠損することによって生じたということだ⁽¹²⁾12) J. F. Doebley, B. S. Gaut & B. D. Smith: Cell, 127, 1309 (2006)..．すなわち，野生種の集団に放射線や化学変異剤などを処理し，不良形質を消失した突然変異体をスクリーニングすれば，比較的短期間に野生種の栽培化を実現できる可能性がある．何より，この手法は形質転換によらないため，新型作物が開発されれば直ちに一般圃場で栽培することが可能である．

このアイデアを実現するため，現在筆者らは実際に変異原を処理した大量の植物体を栽培し，より栽培に適した形質をもつ変異体の選抜を進めている．このやり方を，数万年前の人類が野生植物栽培化したプロセスを現代科学の技術と知見をもって改めて行うという意味を込めて，ネオ＝ドメスティケーションと呼び，食糧問題解決の一手段として提案したいと考えている（図10図10■ネオドメスティケーションのコンセプト）．

図10■ネオドメスティケーションのコンセプト

おわりに

以上のように，Vigna属野生種は非常に多様であり，かつさまざまな環境ストレス対する適応遺伝子を埋蔵した貴重な遺伝資源である．筆者らはこれを利用し，表と裏の両面からストレスに強い作物の開発に取り組みたいと考えている．表の道は，これらのゲノムを解読して研究基盤を構築し，遺伝解析によって耐性遺伝子を単離し，そしてそれを作物に応用することである．裏の道は，野生種を作物化することで，野生種がもつ環境適応性をそのまま利用してしまうことである．この両面作戦を通じて，世界に広がる広大な荒地を農地として利用できる日が来ることを夢に見ながら，日夜研究を進めていきたいと考えている．