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トマトの食味向上に向けた色素-フレーバー間の関連性解析

青野, 佑亮 筑波大学 DOI:10.15068/0002008144

2023.09.04

概要

トマトの食味向上に向けた色素-フレーバー間の関連性解析

2023 年 1 月
青野 佑亮

トマトの食味向上に向けた色素-フレーバー間の関連性解析

筑波大学大学院
理工情報生命学術院
生命地球科学研究群
農学学位プログラム
博士 (農学) 学位論文

青野

佑亮

略語リスト
GWAS: Genome wide association study
HPLC: High-performance liquid chromatography
MHO: 6-methyl-5-hepten-2-one
MPR: Microplate reader
PDA: Photodiode array detector
PSY1: Phytoene synthase 1
SNP: Single nucleotide polymorphism
VOC: Volatile organic compound

1

目次
第 1 章 序章
3
1.1 トマトの栽培化と品種改良
3
1.2 トマトのフレーバーに関する研究
3
1.3 アポカロテノイド香気成分とその生合成メカニズム
4
1.4 果実中クロロフィルと糖含量の関連性
6
1.5 Domestication Syndrome と野生種ゲノムの多様性
7
1.6 本研究の目的と意義
8
第 2 章 トマト 157 系統のカロテノイド・クロロフィル定量およびフレーバー化合物と
の統合解析
13
2.1 緒言
13
2.2 材料および方法
13
2.2.1
試薬
13
2.2.2
植物材料
14
2.2.3
マイクロプレートリーダーを用いたトマト果実中クロロフィル・カロ
テノイド含量の測定
15
2.2.4
HPLC-PDA を用いたカロテノイドの測定
16
2.3 結果
17
2.3.1
マイクロプレートリーダーによるカロテノイド・クロロフィル定量法
の確立
17
2.3.2
トマト 157 系統の色素含量
18
2.3.3
色素含量とフレーバー関連化合物の定量
19
2.3.4
HPLC-PDA 分析による高 MHO 系統果実中の MHO 前駆体の探索
20
2.4 考察
21
2.4.1
果実中におけるクロロフィルと糖の関連性
22
2.4.2
高 MHO 系統におけるプロリコペンの蓄積
22
第 3 章 ゲノムワイド関連解析による色素含量関連遺伝子の探索
41
3.1 緒言
41
3.2 材料および方法
42
3.2.1
ゲノムワイド関連解析
42
3.2.2
GWAS 候補領域中遺伝子のマーカー間における示差的発現解析
42
3.3 結果
43
3.3.1
GWAS よるトマト染色体上のカロテノイド関連領域の検出
43
3.3.2
候補遺伝子群のマーカー間における発現の解析
44
3.4 考察
46
3.4.1
PSY1 および隣接する遺伝子の発現
46
3.4.2
第 5 染色体上から選抜した候補遺伝子
46
総括 64
要旨 68
謝辞 71
引用文献
72

2

第1章 序章

1.1

トマトの栽培化と品種改良

トマトは世界中で広く栽培、消費が行われる経済的に最も重要な作物の1つであり、
2020 年には全世界で 1 億 9 千万トンが生産されている (FAOSTAT, 2022)。
人類がいつトマトを栽培し始めたかは正確には明らかになっていない。しかし、近
年の遺伝学的研究から、トマトの栽培化は以下に示すような 2 段階のプロセスがあっ
たとみなされている。まずアンデス地域に自生する祖先種である S. pimpinellifolium
が栽培化され、一般にチェリートマトと呼ばれる S. lycopersicum var. cerasiforme
が生まれた。その後、本種がメソアメリカ地域でさらなる選抜を受け、結果として現
代の栽培種トマト S. lycopersicum が誕生し (Lin et al., 2014; Blanca et al.,
2015)、そ の後コ ンキス タド ールに よって 16 世紀に ヨーロ ッパに 持ち 帰られ た
(Jenkins, 1948) 。しかし、トマトは当初毒草として知られており、食用としてみな
されたのは 18 世紀以降だとされる。また、北アメリカにも運び込まれたトマトは 19 世
紀以降に各地で品種改良が行われ、そこから多様な品種が世界中に広まったとされる
(Bauchet and Causse, 2012)。現代では、多様な果実形状 (Tanksley, 2004)や果実色
(Coyago-cruz et al., 2019) を持つ多様なトマト品種が栽培され、市場に流通してい
る。

1.2

トマトのフレーバーに関する研究

トマトの商品価値を決める要素は、果実サイズ、果実形状、色など様々であるが、
主に食用として消費されるトマトにおいて、食味はその商品価値を決定づける因子と
して非常に重要である。 食味の中心となるのはフレーバー、すなわち味覚と嗅覚の複
雑な相互作用である (Zhu et al., 2019) 。トマト果実のフレーバーは味覚で感知さ
3

れる種々の成分に加え、嗅覚で感知される香気成分も関与し、それらの相互作用によ
って決定される。味覚で感知される物質として、グルコースやフルクトースに代表さ
れる糖類、クエン酸、リンゴ酸に代表される有機酸、グルタミン酸やアスパラギン酸
な ど の ア ミノ 酸 が 挙げ ら れる 。 嗅 覚で 検 知 される の は 種 々の 揮 発 性有 機 化合 物
(Volatile organic compounds, VOCs) であり、トマトにおいては、果実中に存在する
VOCs として 400 種類以上が同定されている (Quinet et al., 2019)。これら VOCs の中
でも、実際に香気成分として機能し、フレーバーに重要とされているものは 20-30 種
類程度であるとされている (Tieman et al., 2017; Zhu et al., 2019; Martina et
al., 2021) 。トマト果実中に存在する代表的な香気成分を表 1-1 に示す。これらの香
気成分は果実成熟中における含量の変動パターンもそれぞれ異なり (Tikunov et al.,
2010; Tieman et al., 2006; Ortiz-Serrano and Gil, 2010; Liscombe et al., 2022) 、
代謝物ごとに未成熟果実での捕食者の忌避,成熟果実での誘引など様々な役割と持つ
と考えられている (Rambla et al., 2014)。 また、これらの香気成分の官能評価が進
んでおり、それぞれの化合物が固有の香り 、果実中濃度、嗅覚閾値を持つ (Klee,
2010)。総じて、これらのフレーバーに関わる化合物群の含量を制御することで、トマ
トのフレーバーを改善することができると考えられる。

1.3

アポカロテノイド香気成分とその生合成メカニズム

トマト果実中に存在する香気成分の中でも、ゲラニルアセトンや 6-メチ
ル-5-ヘプテン-2-オン

(MHO)

などのアポカロテノイド香気成分は一般に

fruity/floral と形容される甘い香りを呈し、これらの化合物が果実中に
存在することで甘味の知覚が増強されることが示唆されている

(Vogel et

al., 2010) 。果実中の糖含量と果実サイズはトレードオフの関係にあると
言われている (Tieman et al., 2017) が、それを打ち破り収量と甘味を
4

両立することはトマトの高付加価値化に繋がる。そこで、アポカロテノイド
香気成分のような甘い香りを呈する香気成分の生産を増強することで、果実
にさらなる甘味を付加できる可能性がある。
アポカロテノイド香気成分は赤黄色色素であるカロテノイドを前駆体と
する (Rambla et al., 2014) 。代表的なアポカロテノイド香気成分およ
びその前駆体であるカロテノイドの生合成経路を図 1-1 に示す。トマト果実
の成熟過程における爆発的なカロテノイド合成は色素体内で行われるが、そ
の際にカロテノイドの前駆体となるゲラニルゲラニルピロリン酸

(GGPP)

は非メバロン酸経路から供給される (Cazzonelli and Pogson, 2010) 。
2分子の GGPP が縮合することでフィトエンが合成され、これが続く多段階
の不飽和化と異性化を受け、中間体であるζ-カロテンを経由してリコペン
に変換される。また、リコペンは酵素反応により β-カロテン等の環化カロ
テンにも変換される (三沢, 2015) 。最終的に、これらのカロテノイドは
主にカロテノイド開裂酵素

(CCD)

の作用による酸化的開裂を受け、ζ-カ

ロテンからゲラニルアセトンが、リコペンから MHO が、β-カロテンからβ
-イオノンがそれぞれ生じる (Vogel et al., 2008) 。
アポカロテノイド香気成分の含量は、前駆体であるカロテノイド含量の
影響を受ける可能性が示唆されている。Simkin らはトマト果実で発現しカ
ロテノイド切断酵素をコードする CCD1 遺伝子が未成熟果実でも発現してい
ることを明らかにした (Simkin et al., 2004) 。このことから、成熟に
伴いカロテノイドが増加し前駆体が供給されることがアポカロテノイド香気
成分の生合成量増加に重要であると述べられている (Klee, 2010) 。また、
別の先行研究 (Vogel et al., 2010) では各種カロテノイド酵素遺伝子
5

の機能欠損変異体を用いて、カロテノイド含量・香気成分含量および糖・有
機酸含量などトマトの食味に関わる形質が解析された。各遺伝子型間の比較
から、カロテノイド含量やアポカロテノイド香気成分が変異に応じて変動す
ることが明らかとなった。また、一部変異体ではアポカロテノイド以外の香
気成分についても、野生型と比べて有意に増減することが確認された。
加えて、Tieman らは、栽培種および野生種の計 398 系統をゲノムワイド
関連解析に供し、ゲラニルアセトンと MHO に関連するゲノム領域を絞り込ん
だ (Tieman et al., 2017) 。しかし、実際にそれらの含量を制御する遺
伝子の同定には至っていない。
このように、アポカロテノイド香気成分の生合成経路や、生合成に関わ
る酵素については既に明らかになっている。しかしながら、その含量の制御
や、含量の品種間差を作り出す遺伝子やメカニズムについては十分に理解さ
れていない。

1.4

果実中クロロフィルと糖含量の関連性

トマト果実に含まれる糖類 の大半は 葉からの転流に由来する
(Cocaliadis et al., 2014) とされる一方で、果実自身にも葉の 20%
弱程度の光合成活性が存在するといわれており (Hetherington et al.,
1998)

、果実中の糖類の一部は果実で合成される可能性が指摘されている。

また、果実の成熟が進行してもヘタの周囲で葉緑体およびクロロフィル
含有量が維持されるために緑色の領域が残る“Green shoulder”と呼ばれ
る形質が存在する。先行研究にて、この Green

shoulder 形質の原因遺伝

子 で あ る SlGLK2 の過剰発現が、未熟果実におけるクロロフィル含量の増大、および
6

成熟果実中のグルコースとフルクトースの含量の増加を引き起こすことが明らかにな
っ た た め 、本 形 質 の有 無 が糖 含 量 の品 種 間 差に関 与 し て いる と 考 えら れ てい る
(Powell et al., 2012) 。一方、多くの現代品種では SlGLK2 の機能欠損型アレルによ
って生じる“Uniform ripening”形質を持ち、均一に赤く色づく果実と引き換えに糖
含量が減少したとみなされている (Folta and Klee, 2016)。

1.5

Domestication Syndrome と野生種ゲノムの多様性

先述の通り、トマトは南米からメソアメリカ地域を経てヨーロッパおよび北アメリ
カに持ち込まれたが、この過程で強い選抜を受けて遺伝的多様性が著しく減少したと
されている (Bai and Lindhout, 2007) 。
一般に、植物の栽培化の過程において、遺伝子は人為的な強い選抜を受ける。その
結果、祖先種と栽培種とでは明確に異なる表現型を持つ。典型的な例として、可食部
の肥大や収量の増加などが挙げられ、この現象は“Domestication syndrome”と呼ば
れる (Doebley et al., 2006) 。特に、トマトでは果実の食用化、均一な赤い着色、
果実の肥大化といった形質が好まれて選抜されてきた (Bauchet and Causse, 2012) 。
その代償として、風味に関する諸形質は選抜の際に無視され,トマト果実の風味は著
しく損なわれたと考えられている (Klee, 2010) 。
一方で、野生種トマトにおいては先述した選抜を受けなかったために、遺伝的多様
性が保存されている (Aflitos et al., 2014) 。「トマト」は、現在栽培種として用
いられている S.lycopersicum に加えて、S. pimpinellifolilm などの十数種の近縁野
生種トマトを含む Lycopersicon clade を形成する (Moyle, 2008) 。うち数種は栽培
種 S. lycopersicum との交配が可能である。これら野生種の生息地はアンデス山脈か
ら南アメリカ大陸北西部の沿岸地域にまで及び、その生息域の気候も標高の高い乾燥
7

地域や熱帯雨林など様々である (Moyle, 2008) 。これら野生種の遺伝的なプールは非
常に多様であり、栽培種よりも高い生物的・非生物的ストレスへの耐性 (Bolger et
al., 2014) といった、有用な形質が数多く存在すると考えられている。そのため、野
生種トマトは遺伝資源としての可能性が注目されており、野生近縁種から栽培種の遺
伝子移入に焦点を当てた研究が数多く行われている (Bai and Lindhout, 2007) 。
ストレス耐性のような栽培上有用な形質だけでなく、果実色や味、香りといった商
業的形質についても、同様に栽培種・野生種を含む大規模なトマト集団を用いた遺伝
学的解析が行われてきた。Zhu らは、トマトの栽培化や育種改良における選抜に焦点を
合わせ、実際に選抜されてきた遺伝子の推定とそれに伴う表現型や代謝物の変動を明
らかにした (Zhu et al., 2018) 。Gao らは、S. lycopersicm や S. pimpinellifolium
に加え、Lycopersicon clade に属する S. cheesmaniae と S. galapagense のシークエ
ンシングを行ってトマトのパンゲノムを構築した。その結果、脂肪酸由来香気成分の
含量制御に寄与する TomLoxC の新規アレルを含め、リファレンスとして頻用される品
種である“Heinz 1706”のゲノム上に存在しない 4873 の遺伝子を新たに同定した (Gao
et al., 2019) 。

1.6

本研究の目的と意義

ここまで述べてきたように、官能評価などを通じてトマト果実中に存在する化合物
のフレーバーへの寄与の程度が研究され、トマトのフレーバー形成に重要な化合物群
が明らかになりつつある。また、トマトのフレーバー改善を目指して、それらの重要
化合物の含量制御メカニズムの研究や、栽培種・野生種を対象とした有用遺伝子の探
索が行われ、実際に香気成分の含量に関わる新規遺伝子の同定が進んでいる。それに
も関わらず、甘い香りを呈しトマトの甘味を増強しうる化合物の一種であるアポカロ
テノイド香気成分の含量を制御する遺伝子に関する知見は未だ不十分であり、その含
8

量改善のためにはさらなる解析が必要である。
そこで本研究では、アポカロテノイド香気成分の前駆体であるカロテノイドに着目
し、アポカロテノイド香気成分の量的・質的関係を解析することで含量制御メカニズ
ムを明らかにすることを目的とした。
また、光合成に関与し、果実中の糖含量にも寄与しうるクロロフィルはカロテノイ
ドとの同時分析が可能なため、こちらにも着目し、カロテノイドと併せて分析を行う
こととした。これら色素と糖類および香気成分の量的・質的関係を解析することで、
色素含量の増減が食味に与える影響を明らかにすることを目的とした。最終的には定
量に供したトマトのゲノム解析を行い、色素含量の制御を通じてフレーバーを改善し
うる遺伝子の同定を目的とした。 ...

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