ソルガム[Sorghum bicolor (L.) Moench]は二倍体の穀物で、食用、飲料用（ビール）、家畜飼料用、燃料用、そして環境に優しい建築資材として利用されています。世界で推定4,000万ヘクタールで栽培されており、最も栽培されている穀物の第5位に分類されます。ソルガムは、半乾燥熱帯地域、特にアフリカの食糧安全保障において重要な役割を果たしており、栽培面積ではトウモロコシ（Zea mays L.）に次ぐ第2位です。これらの地域では、小規模農家が食料を確保し、自給自足の収入を得るために、この作物に依存しています1。
栽培されているソルガムには、形態学的に異なる5つの品種グループがあります。豊富な遺伝的変異により、ソルガムは様々な農業生態系、気候、環境に適応することができ、作物改良のための重要な資源として位置づけられています。いくつかの遺伝学的研究により、穀物収量と品質、Colletotrichum sublineolumとStriga hermonthicaに対する抵抗性、および生物学的ストレスに対する抵抗性において有意な遺伝的変異が示されています1。
国際半乾燥熱帯作物研究所（ICRISAT）
国際半乾燥熱帯作物研究所（ICRISAT）は、半乾燥熱帯における零細農家の地位向上と食糧安全保障に貢献する、世界有数の乾燥地農業研究機関です。ICRISATは、農業資源の研究と改良を目的とする世界最大の非営利組織である国際農業研究協議グループ（CGIAR）のパートナーです。
ICRISATの対象作物は、ソルガム、キビ（ナラ、シコクビエ、小キビ）、テフ、ヒヨコマメ、キマメ、落花生です。同研究所の科学チームは、各国のパートナーと協力してマーカー支援育種を行い、世界初のハトマメ雑種、べと病抵抗性ナタネキビ品種（H77/833-2）、早生落花生を作出しました。同研究所はまた、アフリカ初の生物学的栄養強化ナタネキビの開発も主導しています。研究所の長期目標のひとつは、半乾燥熱帯地域の育種家が、市場で購入可能な価格で、遺伝子型判定を品種開発プロセスの日常的な一部として利用できるようにすることです。そのために選択すべき技術は、多額の先行投資を必要とせず、比較的簡単に取り組めるものです。結局のところ、便利なトラクターを持っていても、ガス代が払えなければ意味がないのです。
国際半乾燥熱帯作物研究所（ICRISAT）によるソルガムの遺伝型解析
KASP
ICRISATでは、競争的対立遺伝子特異的PCR法（K/Competitive allele specific PCR KASP）を、指定作物のルーチンのエンドポイント・ジェノタイピングに使用しています。Damaris A. Odeny 主席研究員（所属部署: Genomics, Pre-Breeding & Bioinformatics）は、ICRISAT-ESAとインドのソルガム改良プログラムに積極的に関与し、先進的な育種ツールの開発と検証を行っています。Damaris は、ジェノタイピング能力、持続可能な市場コストでの入手可能性、使いやすさ、開発の簡便性から、KASPの使用を選択しました。
非生物学的(abiotic)ストレス耐性、アグロエコロジー、交雑確認のためのKASPマーカーの検証
ICRISATのチームは、ソルガムにおける品質管理（QC）のために49のKASPマーカーの検証に着手しました。彼らはICRISAT-ESAの育種プログラムから700以上の系統を選抜し、干ばつ耐性(DL)、低温耐性(LT)の標的形質を持ち、標的とするアグロエコロジー（乾燥低地(DL)または亜湿潤(SH)地域）で実績のある系統を選抜しました。また、ブルキナファソの16の遺伝子型を用いたアウトグループも作成しました。交雑の確認のため、親系統と推定されるF1も含まれました。すべてケニアのナイロビにある世界アグロフォレストリーセンター（ICRAF）で植えられました1。
育種系統は、まず49のKASPアッセイを用いて遺伝子型判定が行われ、そのうち46が有益であることが判明しました。 交配試験は、いくつかの交配から得られた合計39のF1植物で行われました。F1植物とその親は、次のように選択された10個のマーカーを用いて遺伝子型を決定されました：最も多型情報含有量（PIC）の多いトップ10から3個のSNPが選択され、トップ11位～20位から3個のSNP、および4個の形質関連マーカーが選択されました1。
品質管理 SNPマーカーの全体的な情報量と染色体分布
多型情報含有量（PIC）、マイナーアレル頻度（MAF）、観察されたヘテロ接合度（Ho）（表1）を用いて、最も優れたマーカーをランク付けしました。40%以上のマーカーが欠損している遺伝子型は、3つの単型SNPと同様に除外しました。
| Marker category | PIC Range | PIC Mean | MAF Range | MAF Mean | Ho Range | Ho Mean |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Top 10 | 0.36-0.37 | 0.37 | 0.39-0.49 | 0.43 | 0-0.05 | 0.02 |
| Top 20 | 0.32-0.37 | 0.35 | 0.27-0.49 | 0.38 | 0-0.08 | 0.03 |
| Ranked 11-20 | 0.32-0.36 | 0.34 | 0.27-0.38 | 0.33 | 0.01-0.05 | 0.03 |
| Top 30 | 0.19-0.37 | 0.32 | 0.12-0.49 | 0.31 | 0-0.08 | 0.01 |
| ALL markers (46) | 0.02-0.37 | 0.27 | 0.01-0.50 | 0.25 | 0-0.84 | 0.08 |
| Ranked 21-30 | 0.19-0.31 | 0.24 | 0.12-0.25 | 0.17 | 0.01-0.06 | 0.02 |
| Lowest 13 | 0.02-0.31 | 0.13 | 0.01-0.25 | 0.08 | 0-0.48 | 0.07 |
表1. さまざまなカテゴリーに基づくマーカー情報量のまとめ。
図1. 主成分プロット
異なるマーカーランキングを用いた主成分（PC）プロットを生殖質セット全体にわたってスコア化し、それらがどの程度有益であるかを示しました。最も情報量の多いトップ10マーカーは遺伝的変異の45.4%を説明しました。(一方、11-20位と21-30位のマーカーはそれぞれ遺伝的変異の39.3%と30.1%を説明しました)1。
上位30位までのマーカーを用いた主成分の判別分析（DAPC）により、5つの主要クラスターから3つの異なる育種クラスターが同定されました。
図2. DAPC: Discriminant analysis of principal components
DAPCのアウトプットは5つのグループ分けを示し、そのうち3つは明確であった。各クラスターのメンバーシップは図の右側に定義されています1。
この研究により、育種系統を区別し、交雑を確認できるソルガム用のKASP QCマーカーパネルが検証されました。研究を行っている科学者は、このマーカーが世界中のソルガム生殖質で機能することを期待しています。
費用対効果と使いやすさ
研究者らは、これらの検証済みで費用対効果が高く、使いやすいKASPメーカーをより広範な育種コミュニティが利用できるようにすることで、ソルガム育種家が育種プログラムにこれらのジェノタイピングツールを追加し、遺伝的利得の機会を向上させるための大きな前進をもたらす真の機会が得られると考えています。
これらのマーカーは、ステイグリーン（Stay Green）のような形質に関連するもの、親子関係や交雑の検定など幅広いものであり、世界的な育種系統プールで使用されることで、系統間の正確な比較が可能になります。ソルガムには膨大な遺伝的多様性があるため、これらのマーカーを使用して豊富な遺伝的知識を構築する機会は、ソルガム育種系統の遺伝的利得を創出するための育種家の旅を大幅に支援することができます1。
ICRISATによるソルガムの遺伝型解析の研究は、ステイグリーン形質の完全な生物学的解明を含め、種のゲノムをより深く掘り下げる中で継続される予定です。この作業により、世界的に重要な作物であるソルガムの遺伝学について、より深い理解と知識の蓄積がもたらされるでしょう。
ステイグリーン形質
ソルガムは乾燥した塩類アルカリ土地、半乾燥土地、砂漠での栽培に成功しています3。これは、ソルガムの根の長さと根の角度により、土壌深部から水を引き込む能力に一因があります3。品種によっては、長期間の干ばつでも緑色を保つものがあります。これは、緑色を維持しない品種と比較して、収量の向上につながります。
先行研究では、ステイグリーン形質に寄与する遺伝子座Stg1、Stg2、Stg3、Stg4が特定されています3。ICRISATは、Stg3遺伝子座に注目しました。Stg3遺伝子座は、ESAで乾燥耐性のドナーとして使用されている2つの主要品種に存在するからです。SSRとSNPマーカーの統合により、Stg3はStg3AとStg3Bに細分化されました。その後、Stg3AとStg3Bから数個のKASPマーカーを選択し、さらなる検証を行いました2。
ステイグリーンマーカーの検証
ICRISAT-ESA育種プログラムから、Stg3の既知の供給源2系統を含む、干ばつ耐性に関する過去のデータを持つ161系統を含む、725系統の育種系統を選び、Stg3 KASPマーカーの検証を行いました。10個のKASPマーカーのうち、9個が718-745ゲノムで増幅され、161系統のうち155系統の乾燥耐性が確認されました2。 これらのマーカーのうち4つは共分離し、選択された品種間で同じ対立遺伝子プロファイルを持っていました。さらに解析を進め、コスト面でもプロセスを簡略化するため、これらのマーカーのうち2つを指標として、育種サイクル全体でこれらのQTLを追跡し、育種系統へのStg3AとStg3Bの導入を検証できることが示されました2。
マーカーアシスト戻し交配によるこれらの新しいQTLの導入は、インド農業大学の研究によって成功裏に実証されています4。ICRISATの研究チームは、ステイグリーン形質は気候が進化し続けるにつれてソルガム種子の重要な構成要素になるため、引き続き調査を続けています。
ICRISATの研究の詳細と研究論文はICRISAT.orgをご覧ください。
KASPについての詳細は、KASP genotyping assays, PCR-based genotyping | LGC Biosearch Technologiesをご覧ください。
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参考文献
Tables 1-3 Gimode DM, Ochieng G, Deshpande S, Manyasa EO, Kondombo CP, Mikwa EO, Avosa MO, Kunguni JS, Ngugi K, Sheunda P, Jumbo MB, Odeny DA. Validation of sorghum quality control (QC) markers across African breeding lines. Plant Genome. 2024 Feb 26:e20438. doi: 10.1002/tpg2.20438.
Validation of sorghum quality control (QC) markers across African breeding lines - PubMed (nih.gov)