遺伝子編集を利用して性植物のアポミクシスを誘発できるか？

Can We Use Gene-Editing to Induce Apomixis in Sexual Plants?

• Armin Scheben
• Diego Hojsgaard

抄録

種子の無性形成であるアポミクシスは、潜在的に価値のある農業形質である。有性作物の植物にアポミクシスを誘導することは、例えば、育種家がハイブリッド種子の異種性を固定化し、2倍のハプロイドを持つ作物系統を迅速に生成することを可能にするだろう。分子モデルは、機能的なアポミクシスの出現、すなわち、アポメイオーシス＋寄生発生＋内精子の発生を、クローン種子を形成するために変化した分子および発生ステップを調整する遺伝的またはエピジェネティックな変化の組み合わせの結果として説明している。イネやトウモロコシの有性植物では、遺伝子編集を用いて減数分裂と受胎に関連する遺伝子を変異させたり、胚発生遺伝子の卵細胞特異的な発現を介したりすることで、アポミクシス様の機能や合成クローン種子が誘導されてきたが、限られた成功にとどまっている。機能的なアポミクシスを誘導し、アポミクシス種子生産の浸透性を高めることは、形質の商業的展開のために重要である。アポミクシス誘導の最適化は、アポミクシス種における自然の遺伝的変異をよりよく理解することにより、既知の標的を用いた遺伝子編集戦略や代替標的の同定により可能となる。ゲノムデータと正確な遺伝子編集ツールの利用可能性が高まっていることから、アポミクシス作物の工学化に向けて大きな進歩を遂げている。

Apomixis, the asexual formation of seeds, is a potentially valuable agricultural trait. Inducing apomixis in sexual crop plants would, for example, allow breeders to fix heterosis in hybrid seeds and rapidly generate doubled haploid crop lines. Molecular models explain the emergence of functional apomixis, i.e., apomeiosis + parthenogenesis + endosperm development, as resulting from a combination of genetic or epigenetic changes that coordinate altered molecular and developmental steps to form clonal seeds. Apomixis-like features and synthetic clonal seeds have been induced with limited success in the sexual plants rice and maize by using gene editing to mutate genes related to meiosis and fertility or via egg-cell specific expression of embryogenesis genes. Inducing functional apomixis and increasing the penetrance of apomictic seed production will be important for commercial deployment of the trait. Optimizing the induction of apomixis with gene editing strategies that use known targets as well as identifying alternative targets will be possible by better understanding natural genetic variation in apomictic species. With the growing availability of genomic data and precise gene editing tools, we are making substantial progress towards engineering apomictic crops.