中高生と“いのちの不思議”を考える─生命科学DOKIDOKI研究室

ゲノム編集による無花粉スギ開発プロジェクトが始まった！

スギは昔からはえているのに、なぜスギ花粉症で悩む人が増えているのだろう？　食生活の変化や大気に含まれる汚染物質なども関係しているかもしれないけれど、まず大きいのは、スギがどんどん植えられたこと。戦時中や戦後復興期の過度な伐採によって荒廃した山の保全や、高度経済成長期に増大した木材需要にこたえるためだったんだ。いまや日本の森林面積の4割が人工林で、そのうちの半分弱がスギ。春が近づくと、大きく育ったスギの雄花から一斉に花粉が飛んじゃうドキ。

花粉症の原因物質となるスギ花粉の飛散を抑えようと、成長したスギを積極的に伐採して利用し、花粉が少ない苗木に植え替える対策が進められている。でもスギ林が一度に花粉の少ないスギに置き換わるわけじゃない。いっぺんに伐採しちゃったら、大きく育つまでに30年以上も待たなきゃならない。それに植える苗木は、単に花粉が少ないだけじゃダメで、各地の気候に合っていなくちゃならないし、病害虫に強いとか、成長が早い、幹がまっすぐ、木目がきれいで製材して色艶がいいなど、成長性や材質も重要だ。そして、少ないといっても花粉は出るわけだからね…。

そこで、雄花はつけるけれど花粉が出ない自然突然変異の「無花粉スギ」を選び出し、成長性や材質のいいエリートツリーと人工交配を重ねることで、林業に適した無花粉スギの開発が急ピッチで進められている。
それと並行して、2015年に森林総合研究所森林バイオ研究センターで、あるプロジェクトがスタートした。「CRISPR/Cas9（クリスパー・キャスナイン）」と呼ばれる画期的なゲノム編集技術を使って、無花粉スギを効率的につくりだそうというプロジェクトだ。七里先生もプロジェクトの一員として採用され、スギのゲノム編集に挑戦することになったんだって。

CRISPR/Cas9とは！

CRISPR/Cas9というのは、エマニュエル・シャルパンティエ（Emmanuelle Charpentier）博士とジェニファー・ダウドナ（Jennifer Doudna）博士が開発したゲノム編集技術だ。2012年にScience誌に発表され、それまでの技術よりずっと手軽に、効率良く遺伝子改変ができるので、アッという間に世界に広がり、発表からわずか8年後の2020年には、二人にノーベル化学賞が授与された。
日本でも、血圧上昇を抑える効果が期待されているGABA（gamma-aminobutyric acid：γ-アミノ酪酸）がたくさん含まれているトマトや、通常の養殖マダイより平均1.2倍も肉厚のマダイがすでに販売されている。

CRISPR/Cas9がいったいどんな技術か、できるだけわかりやすくまとめてみるよ。

すべての生物は、体内に生命を形づくるための設計図を持っている。それがDNAで、A（アデニン）、T（チミン）、G（グアニン）、C（シトシン）の4つの塩基によって構成されていて、ATGCの文字列（塩基配列もしくは配列という）が暗号となって、さまざまな働きをするタンパク質がつくりだされていく。ゲノムは、その生物がもっているDNAのすべてだということは学校でも習ったと思う。

DNAは二重らせん構造をしていて、そこに暗号として埋め込まれた遺伝情報が次の世代に受け渡される。DNAの配列には、異なる遺伝情報を担うそれぞれの区画（遺伝子）や、特定の遺伝情報のスイッチをいつどれだけ働かせるかといった情報が含まれる区画などいろいろな領域が分かれて存在している。DNAの配列のうち、特定の区画を見つけ出して、ねらった遺伝子の働きを壊したり、特定の遺伝子を挿入したりして、生命の設計図を書き換えることができるようになった。このようにDNAの配列を編集する技術が「ゲノム編集」ドキ。

CRISPR/Cas9は、特定のねらった区画を探し出すことができるガイド役（ガイドRNA）と、そこを切断するはさみ役（人工酵素）で構成されるツールを用いている。これを細胞に導入するとねらった区画のDNAが切断される。ほとんどの場合は、生命に備わっている安全装置により切断されたDNAは元通りに修復されるけど、とても低い確率で修復エラーが起きて元通りに修復できないときがある。ゲノム編集はその修復エラーをねらった場所だけに起こすことで、特定の遺伝子の働きをジャマしたり、新たな機能を持たせたりしているんだ。

DNAの二本鎖が切れると、切れた部分を修復しようとする。うまく修復できずに塩基が欠失したり、余分なものが入ってしまったりして遺伝子が破壊されるのがノックアウト、導入したい遺伝子を入れるのがノックイン。

花粉形成に重要な遺伝子の“そっくりさん”をターゲットに

ゲノム編集で無花粉スギをつくるとき、どの部分をターゲットにするかの目星はついていたんだろうか？　七里先生によると…。
「当時は、まだスギのゲノムが解読されていませんでした。でも、モデル植物であるシロイヌナズナを用いた研究から、花粉形成に重要な遺伝子の配列が明らかになっていたので、スギの遺伝子の中でよく似た配列を探し出し、候補遺伝子を一つずつつぶしていくことにしたのです」

花粉を含む葯（やく）に当たる部分を取り囲む細胞層がタペート層。花粉形成に必要な養分や物質を発達途中の花粉に供給する。タペート層ではたらく遺伝⼦をターゲットにゲノム編集すれば無花粉になるのでは?と考えた。
図版：2013年3月21日プレスリリース「遺伝子組換えによりスギ花粉形成を抑制する技術を開発」より

スギのゲノム編集は時間がかかる！

CRISPR/Cas9は手軽なゲノム編集技術、と書いたけれど、じつは樹木のゲノム編集はそれほど簡単じゃない。動物なら非常に細いガラス管や電流で細胞膜に孔（あな）をあけて、「はさみ役」を直接細胞の中に送り込むことができるけれど、細胞壁がある植物細胞にはこの方法が使えないんだって。
そこで、組織培養の技術を使い、アグロバクテリウムという菌を運び屋にして、花粉形成に必要な遺伝子を壊すためにはさみ役をつくりだす遺伝子（以後、はさみ遺伝子と呼ぶことにする）をスギの細胞に送り込むことにした。

手順はこうだ。

写真提供：森林総合研究所森林バイオ研究センター

• 松ぼっくりみたいな若い球果を割って、中の未成熟な種子を取り出し培養すると、1ヵ月ほどで先端部がもこもこと盛り上がって、「カルス」と呼ばれる未分化の植物細胞の塊ができる。
• 増殖したカルスをはさみ遺伝子を導入したアグロバクテリウムの菌液にひたして、細胞にアグロバクテリウムを感染させる。
• 感染後4ヵ月ほどで、カルスから不定胚（種子の中の胚と同じように、新しい植物体を形成するもとになる組織）が誘導できる。
• 感染後半年ほどで、不定胚のそれぞれから発芽する（＝遺伝子組換え個体の誕生）。
• 発芽した個体を培養瓶で育てる。個体がある程度大きくなったところでポットに移植。その後、外気は入るが外部からの昆虫の侵入を防ぐ特定網室で栽培する。
• 自然条件下では、安定して花をつけるまでに20年ぐらいかかるので、花を咲かせる植物ホルモンであるジベレリンをかけて育てると、感染後16-20ヵ月で雄花をつける。ねらい通りにはさみ遺伝子がはたらき、雄花はできるが中に花粉は含まれないスギになる。

野生型とゲノム編集無花粉スギの雄花断面。無花粉スギでは花粉が見られない。
図版：農林水産技術会議webサイト記事「健やかな生活を支える林業のために～無花粉スギから広がる新しい林業～」より

交配によって「はさみ遺伝子」を取り除く

「ゲノム編集によって無花粉スギが完成した！」って言いたいところだけど、実はこれは第一段階。この方法では、アグロバクテリウムによって運ばれたはさみ遺伝子が無花粉スギに残っている。野外で植林するためには、はさみ遺伝子のような「外来遺伝子」がない状態にする必要があるんだ！！

では外来遺伝子の含まれていない無花粉スギとするにはどうするか？
ここで登場するのが「交配」という作業ドキ。

交配によって、導入した「はさみ遺伝子」は含まれないが、花粉形成に重要な遺伝子を切断する変異が残る個体を選ぶ。
図版：農林⽔産省リーフレット「ゲノム編集～新しい育種技術～」を⼀部改変

交配にあたっては自家受粉（自殖）でよい作物もあるけれども、スギの場合は、遺伝的背景が異なる他の木との受粉（他殖）が必要になる。自家受粉だと発芽率や成長率が劣ってしまう（近交弱勢という）場合があるんだって。そこで交配の相手に選ぶのが、幹がまっすぐだとか、成長が早いといったすぐれた性質を持つエリートツリー。
無花粉スギの雌花にエリートツリーの雄花の花粉をつけるわけだけど、さらに難題なのが、無花粉スギの性質が「潜性」（ある形質を決める1対の遺伝子のうち、雑種第一代ではあらわれない遺伝様式）ってこと！　つまり、孫の代でないと無花粉スギが誕生しないってわけ。うーん、樹木のゲノム編集って、ものすごく時間がかかるドッキ‥‥。

ゲノム編集した無花粉スギとエリートツリーを交配した雑種第1代同士をかけあわせてできた雑種第2代から、花粉をまったく出さない特性とエリートツリーの優れた性質を兼ね備えた無花粉スギを選ぶ。
図版：森林総合研究所　2017年度研究成果「新たな無花粉スギ品種の開発と今後の品種改良を促進するDNAマーカーの開発」を参考に描き起こし

七里先生たちの無花粉スギ開発プロジェクトは、現在、何種類ものエリートツリーとの交配によって、小さな苗ができている段階なんだって。先生によると、あと3～4年で、はさみ遺伝子の含まれていない無花粉スギが誕生する予定という。

ゲノム編集した無花粉スギの雌花にエリートツリーの雄花の花粉を交配。交配した組み合わせ以外の花粉がつかないように、交配袋によって遮断して特定網室内で育てている。

世界で初めて針葉樹のゲノム編集に成功！

このように針葉樹のゲノム編集はなかなか難しい。しかも、スギのゲノムサイズは約90億塩基対と、ヒトの3倍近くある。樹木で初めてゲノム編集が成功したのは広葉樹のポプラで2015年のこと。ポプラのゲノムサイズは約 4.9 億塩基対だから全然違うよね。

七里先生たちが、世界で初めて、ゲノム編集によって葉緑素をつくる遺伝子を壊して葉が白くなったスギの誕生を報告したのが2021年8月10日のこと。同じ日に、ラジアータパインというマツのゲノム編集、その2カ月後にホワイトスプルースというカナダトウヒのゲノム編集の成功が報告されたので、2021年は針葉樹のゲノム編集元年なんだとか。

「ねらった遺伝子を見つけ出すガイドRNAを発現させるスイッチ役の部品（これをプロモーターといいます）の候補が、スギから13個も見つかったんですが、どれがいいのかわかっていなかったんです。短期間にいいスイッチを選び出そうといろいろと実験をしたのですが、結局ゲノム編集に失敗…ということが続いて、2年ぐらいは停滞しました。結局は13個それぞれについてひとつずつ実験して検証した結果、成功に至りました。その後、世界で初めて針葉樹のゲノム編集に成功したことが論文で発表できて、それまでの苦労がようやく報われたと感じましたね」

ゲノム編集によってつくりだされたスギの白化個体。一番右は通常のスギ。
図版：2021年8⽉31⽇プレスリリース「世界初 スギのゲノム編集技術を開発」より

育種の時間短縮と樹木の基礎研究発展に役立つ

さて、研究が着々と進んで、あと3～4年ではさみ遺伝子が含まれない無花粉スギが完成する見通しだけど、それが本当に商品価値の高いスギに成長するかどうか？　遺伝子を調べることである程度見当はつくけれど、実際に研究所の圃場（ほじょう）で育てて調べるには、やはり10年単位の時間がかかる。また、商品化するにあたっては、「周囲の生物多様性に影響はないか*などをしっかり評価・検証するとともに、ゲノム編集樹木の安全性への理解が進む必要がある」と先生は考えている。はさみ遺伝子などの外来遺伝子が含まれておらず、人工交配で新しい品種を開発するこれまでの方法と変わらないとはいえ、新しい技術を不安視する人も少なくないからだって。

*地球上の生きものは40億年という長い歴史の中で、さまざまな環境に適応して進化してきた。多様な動植物や微生物とそれを支える生態系や環境は、互いに関係し支えあうことで保たれている。生き物たちの多様なつながりを「生物多様性」という。こうした豊かなつながりが、遺伝子組換えなどによりつくりだされた自然条件では生まれない生物によって乱され、環境に影響を与えることのないよう、さまざまなルールが定められている。

では、樹木のゲノム編集の意義はどこにあるんだろう？
「いろんなスギ品種の育種を効率的に行うことができることですね。日本は南北に長く、各地域の気候にあった多くのスギ品種を育種するためには、ものすごい時間、手間、場所が必要となります。森林総合研究所林木育種センターで育種事業がスタートしたのがおよそ60年前。日本全国の成長の良いスギを集めてその特性を評価し、成長の良いスギ同士の交配によって第二世代となるエリートツリーができて、今ようやく、第三世代の交配が始まったところです。つまり育種には何十年もの時間と広い場所が必要ですが、ゲノム編集によりこの時間が大幅に短縮でき、場所もそれほどとりません」

もうひとつ大きいのが基礎研究への貢献だ。
「これまでの植物の基礎研究は、シロイヌナズナという雑草をモデル植物として発展してきました。でも樹の幹が大きくなるメカニズムをシロイヌナズナの遺伝子で探るにはかなり無理がある。スギのゲノム編集によって、スギはもちろん、スギに類似する樹木の性質や機能を直接明らかにできると考えています」

このプロジェクトのスタート当初はスギのゲノムは解読されていなかったけれど、2022年11月に、森林総合研究所とかずさDNA研究所の研究によって、カラマツ・スギ・ヒノキ・コウヨウザン*のゲノム解読が完了。さらに2023年2月には、森林総合研究所、東京大学、基礎生物学研究所、新潟大学、筑波大学、国立遺伝学研究所の研究グループが、スギの約55,000個の遺伝子とその位置をほぼ特定したと発表した。スギが針葉樹のモデルツリーとして、世界の育種に貢献できる条件が整ってきたといえるドッキ！

*コウヨウザン：中国南部、台湾を原産地とする常緑針葉樹で天に向かってまっすぐに伸びる樹形、シロアリの害に強く成長が早い。

より簡便な植物のゲノム編集方法を開発したい

先生がいま取り組んでいるのが、アグロバクテリウムを使わずに、はさみ役のタンパク質そのものを植物の細胞に導入すること。この方法だと遺伝子組換えをせずにゲノム編集ができるので、交配によってはさみ遺伝子を除去する必要がない。さらに、遺伝子組換えができない樹種にも利用できると期待できるのだそうだ。
「新たに葉をつくりだす茎頂分裂組織にはさみ役タンパク質の溶液をたらすだけでゲノム編集できないかというコンセプトです。鳥取大学と共同で、膜透過性ペプチドを使うことで、細胞壁があっても細胞膜に到達できる技術を2021年に開発し、国際特許を出願しました。まずはカルスに対して成功した段階ですが、組織培養も遺伝子組換えも不要で植物のゲノム編集ができる日をめざして、チャレンジしているところです」

細胞膜を透過するペプチドを使い、新しい葉ができるL2層に直接はさみ役のタンパク質を届けることで、遺伝子組換えも組織培養も使わず、直接ゲノム編集できる手法を開発中。シュートとは、一つの茎とその茎につく葉からなるまとまりのこと。
図版提供：森林総合研究所森林バイオ研究センター

中学生時代はゲームのクリエイター志望

植物のゲノム編集について熱心に語ってくれた七里先生だけど、子ども時代から植物に詳しかったなんてことはさらさらなくて、中学生時代はもっぱらゲームに明け暮れていて、漠然とゲーム会社に就職したいと考えていたんだって！
ただゲーム会社に就職するにはプログラミングの知識が必要で、数学があまり得意じゃないけど大丈夫かな？なんて考えていた高校3年生の1月にインフルエンザにかかってしまったうえに阪神・淡路大震災が起きて、受験ができず浪人生活を送ることに。そこで化学のおもしろさに目覚め、大学では応用化学を学んだ。勉強するうち、微生物が化学物質を分解する「バイオレメディエーション」に興味を持って、石油を分解する菌を専門に研究したそうだ。

大学院選びでは、シロイヌナズナで植物の分子生物学が急展開している時代だったので植物のバイオテクノロジーをやろうとNAISTに進み、砂漠のスイカが乾燥に耐える仕組みを探るために遺伝子解析に取り組んだ。大学院修了後は、土壌に含まれるダイオキシンを吸収するカボチャやキュウリ、そしてバイオディーゼルの原料となるナンヨウアブラギリ（ジャトロファ）の分子育種を研究。植物のバイオテクノロジーについて本格的に研究したのはこのときからで、カボチャやキュウリ、そしてジャトロファの遺伝子組換えはとても難しくて、論文が出なくて焦る気持ちもあったって教えてもらったよ。

いまやりたいことが決まっていなくても大丈夫！

「地味だけど、こういう難しい植物の分子育種に大学院修了後に取り組んでいたことが、今の仕事につながっている」と話してくれた先生。
「だから中高校生のみなさんも、いまやりたいことが決まっている人はそれを伸ばしていけばいいけれど、もし決まっていなくても、あるいは第一志望の道がもし途絶えたと感じることがあっても、気落ちすることはありません。勉強したり、いろんなことを見聞きしたりする中で、やりたいことが見つかるし、自分を生かす道が見つかるもの。何が幸運になるかわからないので、焦らずに進んでほしいですね」

先生の後ろの建物が特定網室。ここでゲノム編集されたスギを育てている。

植物のバイオテクノロジーについて知るには！

ゲノム編集や遺伝子組み換えなど、植物のバイオテクノジーについて解説してある本は何冊もあるけれど、この分野の技術の進歩はとてもはやいので、すぐに時代遅れになってしまう。そこでおススメなのが次のwebサイト。

バイオステーション

https://bio-sta.jp/

ふだん何気なく食べている農作物の「品種」がどうやって作られているのか、とくにゲノム編集とそれに関連する最新情報をわかりやすく伝えるために開設されたサイト。ゲノム編集とは何か、品種改良とバイオテクノロジーに関するさまざまな知識が、Q&Aや動画で学べるほか、最新ニュースや研究開発の動向、国内外でのゲノム編集作物の取扱いルールまでが紹介されている。対象は小学生から大人まで、また教育関係者や情報を発信するメディアの人、生産・加工・流通などにかかわる人など。内閣府の「戦略的イノベーション創造プログラム」の課題の一つである「スマートバイオ産業・農業基盤技術」に参画している農業・食品産業技術総合研究機構や国立大学などがメンバーとなっている「最新育種ネットワーク」が制作。

(取材・文：「生命科学DOKIDOKI研究室」編集　高城佐知子)