イネの花を閉じたままにするmiR172b–SNB制御軸を解明、閉花受精育種の手掛かりに
背景：花を開かずに自家受精するイネの遺伝的要因
イネでマイクロRNAのmiR172bが不足すると、SNB転写産物の蓄積を抑える制御が解除され、花を開く鱗被が小さくなって閉花受精が起きるとの研究結果が報告された。研究チームは自然突然変異体と遺伝子編集系統を比較し、この制御軸を解明した。ただし、実際の圃場で交雑をどの程度減らせるかはまだ確認されていない。
閉花受精とは、花が閉じた状態で自家受精する現象である。イネをはじめとするイネ科植物では、鱗被（lodicule）が開花期に膨らんで花を開く。この器官の発達や膨張が制限されると、花は閉じたままになる。この形質は品種純度の維持や、意図しない遺伝子移動の抑制に活用できる可能性がある。
これまでに知られているイネの閉花受精突然変異体には、低温で形質が失われたり、稔実率が低下したりする例があった。今回の研究は、主要な農業形質に明確な不利益がないと報告されていた自然突然変異体「lodiculeless spikelet」（ld）に着目した。鱗被の発達を変える要因の解明が中心的な課題だった。
主な発見：MIR172bの機能喪失とSNB抑制解除の関連
研究チームは、イルプム品種の遺伝的背景を持つldをミリャン23号と交配し、F2世代1,027個体とF3世代1,673個体を解析して原因領域を絞り込んだ。塩基配列の比較から、MIR806a全体とMIR172bの発現を制御するプロモーター領域を含む4,572塩基対の欠失が確認された。どちらの遺伝子座が原因かを区別するため、CRISPR/Cas9でそれぞれを編集した。MIR172bの機能を損なった系統では閉花受精が再現された一方、MIR806a欠損系統では正常な鱗被が形成された。
幼穂の小分子RNA解析でも、ld系統のmiR172bは検出バックグラウンド水準まで減少していた。他のmiR172の種類では同じ減少は確認されなかった。miR172の標的部位を持つAPETALA2（AP2）ファミリー遺伝子5個を比較したところ、幼穂で有意に増加した転写産物はSUPERNUMERARY BRACT（SNB）のみだった。この結果は、miR172b欠乏に伴うSNB抑制解除が鱗被の発達異常に関係することを裏付ける。
因果関係をさらに調べるため、研究チームはプライム編集でSNBのmiR172結合部位を変更した。タンパク質のアミノ酸配列を保ちながら、転写産物がmiR172による抑制を回避するようにした。このPE-rSNB系統でもSNB転写産物の増加と鱗被の縮小が再現された。レポーター遺伝子を用いた組織染色では、鱗被でMIR172bとSNBの発現領域が重なり、両遺伝子の制御関係を裏付けた。
意義と展望：機構検証系統と育種候補の違い
PE-rSNBでは、穂が止葉の葉鞘から正常に出られない欠陥も観察された。研究チームは、SNB抑制解除の強さや組織ごとの範囲がldとは異なっていた可能性を示した。SNB標的部位の編集は機構検証には有用だったが、育種に利用する際にはこの欠陥も考慮する必要がある。
一方、調査したld系統では、草丈、分げつ数、穂当たりの成熟種子数はいずれも対応する野生型と同程度だった。粒はやや短く幅広くなったが、千粒重、すなわち1,000粒の重さに有意差はなかった。これらの結果は、MIR172b機能喪失アレルが閉花受精イネの育種候補資源となり得ることを支持する。ただし、あらゆる環境で収量が同じという意味ではない。
SNBがどの下流遺伝子を制御し、細胞分裂・膨張・細胞のアイデンティティーのどれを変えるのかは未解明である。閉花受精による遺伝子移動抑制効果も、圃場で直接評価する必要がある。今回の研究は、花の開きを制御する遺伝的標的と育種候補を具体化した。研究方法と結果はPlant Physiology論文全文で確認できる。
Cleistogamy, or self-fertilization of a closed flower, can limit unintended gene flow and may contribute to varietal purity in rice (Oryza sativa), with potential value for transgene containment. We previously identified the natural cleistogamous mutant lodiculeless spikelet (ld). Here, using map-based cloning, we show that ld carries a 4.6-kb deletion encompassing the entire MICRORNA806a (MIR806a) precursor and the upstream region of the MIR172b locus. CRISPR/Cas9-mediated editing of the MIR806a or MIR172b locus demonstrated that the loss of accumulation of miR172b, but not miR806a, is responsible for the cleistogamy phenotype of ld plants. Small RNA sequencing confirmed that miR172b is nearly absent in ld mutants. Among the five APETALA 2 (AP2)-like genes harboring miR172b target sites, only SUPERNUMERARY BRACT (SNB) transcripts accumulated to significantly higher levels in young ld panicles than the wild type. Prime editing of the miR172-binding site in SNB generated a miR172-resistant SNB transcript isoform that reproduced the vestigial lodicule phenotype, indicating that the derepression of SNB transcript accumulation is sufficient to alter lodicule development. Histological analysis of rice harboring the GUS reporter gene driven by the MIR172b or SNB promoter revealed a strong overlap between the MIR172b and SNB expression domains in developing lodicules, supporting their regulatory relationship. Together, these results identify the miR172b-mediated repression of SNB transcript abundance as an important regulatory module for lodicule development and cleistogamy in rice. The agronomically neutral ld alleles represent valuable genetic resources for developing cleistogamous rice cultivars.
閉花受精イネの育種では、花が閉じる形質と、正常な穂の発達や種子生産の両方を評価する必要がある。今回の研究は、MIR172b機能喪失アレルを候補品種に導入し、主要な農業形質を維持する系統を選ぶための根拠を示す。SNBのmiR172結合部位を直接編集した系統では、穂が葉鞘の外に出られない欠陥が生じ、同じ制御軸でも標的や制御範囲によって結果が異なり得ることが示された。
具体的な適用シナリオとしては、候補系統を選抜した後、実際の圃場で交雑率と農業形質を併せて評価する方法が考えられる。品種純度の管理や導入遺伝子の移動の低減に役立つ可能性はあるが、閉花受精だけで遺伝子移動を完全に防げると判断する根拠はまだない。