論文の公開元へアフリカイネOryza glaberrimaの洪水に対する応答
概要
Kobe University Repository : Kernel
PDF issue: 2024-05-09
アフリカイネOryza glaberrimaの洪水に対する応答
羅, 全淑
(Degree)
博士（学術）
(Date of Degree)
2023-03-25
(Date of Publication)
2024-03-01
(Resource Type)
doctoral thesis
(Report Number)
甲第8665号
(URL)
https://hdl.handle.net/20.500.14094/0100482413
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博
士
論
文
ア フ リ カ イ ネ Oryza glaberrima の 洪 水 に
対する応答
令和５年１月
神 戸 大 学 大 学 院
羅
全淑
目次
第 1 章
諸論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・1
第2章
O. glaberrima および O. barthii の浮稲性・・・・・・・・・・・・・・・・・11
材 料 お よ び 方 法 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 12
結 果 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 23
考 察 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 49
第3章
O. glaberrima の冠水耐性・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・56
材 料 お よ び 方 法 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 57
結 果 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 62
考 察 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 78
第 4 章
O. glaberrima の形態観察・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・80
材 料 お よ び 方 法 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 81
結 果 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 83
考 察 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 94
総 合 考 察 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 95
摘 要 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 98
謝辞・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・100
引用文献・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・101
第1章
緒論
洪水は，世界の多くの地域，特に雨季などの影響により季節的に降水量が増大する南･東南
アジアの地域において一般的な自然災害である。近年，地球温暖化の影響による集中降雨の増
加により，世界各地で洪水発生頻度が増加している。洪水は，人的被害や建造物の被害だけで
はなく，食糧生産を担う農地にも大きな被害を与える。洪水によって，植物は部分的な浸水ま
たは冠水に曝され，水中ではガス拡散速度が気中の約 10,000 倍遅い (例えば酸素は，気中で
0.21 cm–2 s–1 に対し，水中で 2.38 × 10–5 cm2 s–1) ことによって，低酸素条件となり，また水深
が深くなるにつれて光強度が低下する (Setter et al. 1987, Ram et al. 1999, Jackson and Ram 2003)。
その結果，好気呼吸や光合成が制限され，ほとんどの非水生植物の生存が脅かされる。したが
って，農地が洪水に曝されることは，農作物の生産に深刻な被害を及ぼす。半水生植物である
Rumex palustris やイネ (Oryza sativa L.)，特に浮稲は，洪水による部分的な浸水に適応する植物
として知られており，植物の洪水適応メカニズムを解明するためのモデル植物として利用され
ている (R. palustris についての総説は Cox et al. 2003，Vreeburg et al. 2005，浮稲についての総説
は Kende et al. 1998，東ら 2009 を参照)。
イネは，コムギやトウモロコシと並んで，世界で最も重要な作物の１つであり，世界の 27 億
人の主要な食糧となっている (Muthayya et al. 2014)。2019 年に，世界のイネ栽培面積は約 1 億
6419 万 ha になり，生産量は 7 億 5674 万ｔになった (FAO 2022)。イネの主な栽培地域はアジ
アであり，世界のコメの約 89.4% がアジアのモンスーン地帯で生産されている (FAO 2022)。
現在，イネ属 (Oryza) の植物は約 23 種に分類されているが，そのうち 21 種が野生イネで，栽
培種は 2 種のみである (Vaughan 2003)。1 つはアジアを中心に世界各地で栽培されている O.
sativa で，日本型 (ssp. japonica) とインド型 (ssp. indica) に大別される (Vaughan et al. 2008)。
日本型イネは一般的に草丈が低く，米粒は短くて太く丸い。インド型イネは草丈が高く，米粒
は長粒で細い (星川 1975)。もう 1 つのイネ栽培種は，西アフリカのニジェール川沿岸地域で
局所的に栽培されている Oryza glaberrima Steud.である。
アフリカ栽培イネ O. glaberrima は約 3500 年前にニジェール川の内陸デルタに自生していた
一年生野生イネである Oryza barthii A. Chev. を起源とする (Catling 1992)。西アフリカは面積
が約 600 万平方キロメートルであり，全作物の栽培面積の約 8%をイネが占める (Nayar 2012)。
2020 年の統計では，西アフリカの米生産量約 2095 万ｔであり，これは世界の米の総生産量の
2.7%を占める (FAO 2022)。西アフリカのニジェール川沿岸は洪水が多発する地域であり，そこ
1
では，O. glaberrima が未だに最も重要な栽培植物となっている (Catling 1992)。O. glaberrima は
一般に厳密な一年生であり，葉の表面が滑らかで毛がなく，葉鞘がしばしば赤みを帯び，葉舌
が短い。少数のガンビアの品種以外の全ての O. glaberrima は穀粒の果皮が赤く，いくつかの品
種に芒がある (Catling 1992)。また，ほとんど二次枝梗を持たないなどの点で O. sativa と異な
る (Vaughan et al. 2008)。Roschevicz (1931) は，アフリカイネの祖先種が O. barthii であること
を最初に提案した。Porteres (1945, 1950, 1956, 1962, 1976) と Morishima et al. (1963) が，この提
案を支持している。O. barthii は，種子繁殖する一年生種で，アフリカのサバンナや深水地帯に
自生している。O. glaberrima と容易に自然交雑し，連続的な変異を示す集団が多数見られる
(Oryzabase 2018)。近年，O. glaberrima の栽培化についての研究は増加しており，収量を決定す
る植物体の構造が主要な研究対象となっている。O. barthii の第 7 染色体に存在する PROG7 遺
伝子は，分蘖数と分蘖角度に関与する (Hu et al. 2018)。O. glaberrima において発見された prog7
は，プロモーター領域における変異であり，発現レベルが低下し，O. glaberrima の直立成長性
に関係することが報告されている (Hu et al. 2018)。アジアイネに存在する PROG1 遺伝子は，
野生イネの O. rufipogon の匍匐成長型から栽培イネの直立型成長型への変化に関係している
(Tan et al. 2008)。PROG7 と PROG1 は，ともにイネの第 7 染色体上のほぼ同じ領域に位置する
ジンクフィンガードメイン転写因子ファミリーに属する。しかし，アジアの栽培イネの prog1
とアフリカの栽培イネの prog7 のタンパク質配列の類似性は，約 35%に過ぎない (Hu et al. 2018)。
このことは，アフリカ栽培イネの栽培化が，アジア栽培イネの栽培化と無関係であるとする仮
説を支持している。
イネの生態学的特徴は多様であり，栽培品種は様々な生育環境で栽培されている。稲作は 4
つの生態型に分類されている：灌漑による水稲栽培 (イネ生産量の 75％を占める)，天水低地
の水稲栽培 (イネ生産量の 17％を占める)，乾燥した不耕起な畑などでの陸稲栽培 (イネ生産量
の 4％を占める)，洪水常襲地域で栽培される深水稲あるいは浮稲栽培 (イネ生産量の 4％を占
める) (Yang et al. 2017)。食糧供給の面から，イネは非常に重要な作物であり，洪水は収量を制
限する重大な要素である。これら 4 つの生態型のうち，水稲や浮稲において，洪水適応メカニ
ズムに関する研究が古くから行われており，多くの知見が集積されている (Kende et al. 1998,
Das and Uchimiya 2002, Fukao and Bailey-Serres 2008a, 東ら 2009, Hattori et al. 2009)。
浮稲の回避戦略
イネは半水生植物であり，一般に，部分的な浸水に適応し生存することができる。特に，洪
2
水による部分的な浸水によく適応した品種は浮稲と呼ばれ，バングラデシュ，タイ，ベトナム
など，頻繁に洪水に曝される東南アジアの地域で栽培されている。西アフリカで特有な栽培イ
ネの O. glaberrima は深水稲や浮稲タイプも含み，西アフリカに現存する数百の在来の O.
glaberrima 品種は陸稲と深水稲タイプに分類される (Bangura 1988)；180 の浮稲品種が 1970 年
までマリで研究されていた (Bidaux 1971)。適応可能な水位の程度によって深水稲 (0.5-1 m) お
よび浮稲 (>1 m) に区別されることもある (Catling 1992)。洪水による深水はイネの生産を制限
する深刻な要素であるため，洪水環境に適応し栽培されている浮稲の研究は古くから行われて
いる。
浮稲は，洪水に起因する水位の上昇に対して，伸長成長を促進して草丈を増大させることに
よって，葉を水面上に維持し，好気呼吸や光合成を維持することで洪水 (深水環境) に適応し
ている (Kende et al. 1998，東ら 2009)。このように，水位上昇にともなって伸長成長を促進し
て深水環境を生き抜く戦略を「回避戦略」という。浮稲の高い深水適応性は，そのほとんどが
節間伸長に基づく伸長成長によるものである。日本のイネ栽培品種では，生殖成長期の幼穂形
成期から出穂期にのみ伸長節間が形成されるが，浮稲では栄養成長期の比較的早い段階から伸
長節間が形成される。浮稲は洪水ストレスに対して，節間数を増大させ節間伸長を促進するこ
とによって，深水に起因する嫌気条件を回避する。このような浮稲の性質を「浮稲性」という。
洪水適応に必要な伸長成長の促進には，大量の炭水化物の分解によってもたらされるエネルギ
ーを消費するため，子実へ転流することのできる炭水化物量は減少する。このため，浮稲では
その収量が 1.0-2.5 t/ha となり (Catling 1992)，現代のイネ栽培品種の平均収量 6 t/ha を大きく
下回る。現代品種と同等の高い収量性と，洪水に対する高い適応性を兼備するイネ品種を作出
することは，世界における食糧の安定供給に一助となるだろう。そのためには，浮稲が持つ洪
水適応能力について研究を行い，そのメカニズムを解明することは重要な課題である。
浮稲の節間伸長の生理学的メカニズム
一般に，細胞分裂による細胞数の増加と，細胞内への水の取り込みによる細胞肥大によって，
植物の伸長成長が達成される。深水条件において誘導される浮稲の節間伸長について，細胞レ
ベルの研究も行われている (Kende et al. 1998, 東ら 2009 を参照)。浮稲の節間組織は，3 つの
領域に分けることができる：1）細胞分裂による細胞数増加に関わる介在分裂組織 (節間組織の
基部 2 mm 程度までの範囲)，2）細胞内への水の取り込みによる細胞肥大が顕著な伸長領域 (介
在分裂組織の上部約 3 cm までの範囲)，3）細胞伸長が終了し，二次壁形成や木部形成が起こる
3
分化領域 (Sauter and Kende 1992)。浮稲茎切片にジベレリン酸 (GA3) を処理することによって，
介在分裂組織では長さ 10.5–14.5 µm 程度の細胞が，伸長領域では 50–130 µm までに伸長するこ
と，さらに，[3H]チミジンの取り込みが増大することが観察され，ジベレリン (GA) によって
細胞伸長でなく細胞分裂も促進されることが報告された (Sauter and Kende 1992)。節間組織で
の細胞分裂と細胞伸長による節間伸長を導くメカニズムは，3 つの植物ホルモン (エチレン，
GA，アブシジン酸 (ABA)) の関与によって説明されている。
一般に，エチレンは，陸生植物の生長抑制作用を示すことが知られているが，多数の半水生
植物においては，成長促進作用を示す (Jackson 2008)。Métraux and Kende (1983) は，深水下で
促進される浮稲の節間伸長において，ガス状の植物ホルモンであるエチレンが役割を持つこと
を報告した。その後，バングラデシュの浮稲品種 Habiganj Aman II (HA II) の無傷植物体および
茎切片において，深水処理によって節間組織でのエチレン生合成が促進され，節間空隙内のエ
チレン濃度が顕著に増大することが報告されている (Métraux and Kende 1983, Raskin and Kende
1984a, Azuma et al. 1990b)。植物体内では，1-アミノシクロプロパン-1-カルボン酸 (ACC) 合成
酵素の働きにより，S-アデノシルメチオニン (SAM) が ACC に変換され，次に ACC 酸化酵素
によって ACC からエチレンが生合成される。ACC 合成酵素の阻害剤であるアミノエトキシビ
ニ ル グ リ シ ン (AVG ： aminoethoxyvinylglycine) あ る い は ア ミ ノ オ キ シ 酢 酸 (AOA ：
aminooxyacetic acid) を浮稲植物体に与えると，深水下での節間伸長が抑制される (Métraux and
Kende 1983)。さらに，深水処理によって節間空隙内エチレンが蓄積する一方で，浮稲植物体を
エチレン処理することで節間伸長が誘導されること (Métraux and Kende 1983)，このエチレン
が誘導する節間伸長には高湿度環境が必要であることが報告されている (Azuma et al. 1990a,
1991)。このように，エチレンは浮稲の深水適応応答に強く関与しており，深水に起因する低酸
素条件によって，エチレン生合成の律速段階である ACC 合成酵素の活性が高まった結果，エ
チレン生合成が促進されることが示唆されている (Cohen and Kende 1987)。
GA は，イネを徒長させる馬鹿苗病の原因である病原菌の一種 Gibberella fujikuroi の培養液か
ら最初に単離され，後に植物体内でも生合成されていることが発見された，伸長成長に関与す
る植物ホルモンである。浮稲は深水によって節間が著しく伸長成長することから，浮稲の節間
伸長への GA の関与について研究が行われてきた。深水処理によって，浮稲植物体の内生 GA
様物質活性が増大することが，イネ幼苗を用いたバイオアッセイおよび内胚乳のデンプン分解
試験 (endosperm test) によって示されている (Yamaguchi 1974, Suge 1985, Azuma et al. 1990b)。
GA は気中栽培した植物体あるいは培養した茎切片に投与することで単独で節間伸長を誘導し
4
(Raskin and Kende 1984b, Suge 1985, Azuma et al. 1990b)，GA 生合成阻害剤であるアンシミドー
ル (α-cyclopropyl-α-(4-methoxyphenyl)-5-pyrimidine methanol) を与えて栽培した浮稲植物体
(cv. Aswina) を深水処理すると，節間伸長が起こらないことが報告されている (Suge 1985)。ま
た ， GA 生 合 成 阻 害 剤 で あ る テ ト シ ク ラ シ ス
(5-(4-Chlorophenyl)-3,4,5,9,10-
pentaazatetracyclo[5.4.1.02,6.08,11]dodecane-3,9-diene) を前処理した茎切片では，深水処理および
エチレン処理で節間伸長が誘導されず，GA3 処理によって節間伸長が回復することが Raskin
and Kende (1984b) によって示された。このように，浮稲の節間伸長には GA が強く関与してい
る。さらに，低濃度での GA3 による節間伸長の回復は，エチレンを同時に処理することによっ
て 2.4−8.0 倍に促進され，エチレンが GA の感受性を増大させることが示唆された (Raskin and
Kende 1984b)。
ABA は，気孔閉鎖や成長抑制，種子休眠に関わる植物ホルモンであり，一般に，GA の拮抗
物質として知られている。いくつかの水稲品種および浮稲品種の実生において，ABA がメソコ
チルの伸長を促進し，カロテノイド生合成の阻害剤であるフルリドン (1-Methyl-3-phenyl-5-[3(trifluoromethyl)phenyl]-4-pyridinone；カロテノイド生合成を阻害することで，間接的に ABA の
生合成を阻害する) 処理によってメソコチルの伸長が抑制されることが示された (Hoffmannbenning and Kende 1992, Watanabe and Takahashi 1999)。しかし，浮稲の節間伸長に関しては，高
湿度条件下で浮稲茎切片に ABA を処理すると，深水処理あるいはエチレンや GA 処理により
促進される節間伸長が抑制された (Azuma et al. 1990b, 1995, Hoffmann-benning and Kende 1992)。
低湿度条件下において GA3 とエチレンを共に与えた茎切片は，ABA によってさらに節間伸長
が促されたが，これは ABA による気孔閉鎖の影響であると考えられている (Azuma et al. 2003)。
上述のように，テトシクラシスによって内生 GA 生合成を阻害した茎切片において，GA3 とエ
チレンを同時に処理することで節間伸長の相乗的な促進が起こる (Raskin and Kende 1984b) が，
内生 GA 活性はむしろエチレン処理によって低下する (Azuma et al. 1990b)。その後，深水処理
およびエチレン処理によって，節間組織内の ABA 含量が減ることが明らかとなり (Hoffmannbenning and Kende 1992，Azuma et al. 1995)，エチレンによる GA 感受性の増大は，GA の拮抗物
質である ABA 含量の低下によって説明されている。
Kende et al. (1998) は，これらの 3 つの植物ホルモン (エチレン，GA，ABA) に関する研究
から，浮稲の深水に対する節間伸長反応について，深水環境になることで節間空隙内の酸素濃
度が低下する反応鎖を提唱している。低酸素によってエチレン生合成が促進され，節間空隙内
のエチレン濃度が上昇する。蓄積したエチレンによって ABA 含量が低下する。そのために GA
5
に対する感受性が増大し，節間伸長が誘導される。このように，浮稲の深水に対する節間伸長
反応において，一連の事象が明らかにされてきたが，上述の反応鎖だけですべてが説明できる
わけではない。
深水に対する浮稲の節間伸長反応は，エチレン生合成によるエチレンの蓄積が起因とされて
いるが，エチレンに依存しない反応経路も明らかになってきた。Raskin and Kende (1983) は，
茎切片を低酸素 (3% O2) の通気条件で処理すると，節間伸長が誘導されることを報告し，これ
は低酸素によってエチレン生合成が促進されているためと考えた。しかしながら，AOA あるい
は塩化コバルト (CoCl2；ACC 酸化酵素阻害剤) を処理してエチレン発生量をコントロールの
レベル以下に阻害しても，低酸素により有意な節間伸長が観察された (Azuma et al. 2001)。浮
稲の深水下での節間伸長メカニズムを解明するために行われる深水処理は，ほとんどが停滞水
条件である。実際には，浮稲の栽培は大河川流域で行われており，流水条件であることから，
浮稲植物体の内生エチレンは容易に拡散される可能性がある。また，水中では光強度が大きく
低下し (Setter et al. 1987，Ram et al. 1999，Jackson and Ram 2003)，水の濁りによって光合成が
制限されるため，利用可能な酸素濃度が低くなってしまうかもしれない。このようなエチレン
が容易に拡散し，低酸素条件になるような環境下では，エチレンとは独立の低酸素による節間
伸長が起きていると推測される (東ら 2009)。
浮稲性を付与する遺伝子
浮稲性を有する高収量のイネの作出は，南・東南アジアなどの洪水常襲地域で浮稲を栽培す
る農家やその消費者を救うだけでなく，世界の食糧安定供給にも貢献すると考えられる。高収
量の非浮稲品種に浮稲性を付与することによって高収量の浮稲品種を作出するために，浮稲性
の付与に関与する遺伝子の同定が行われてきた。 ...
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