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Jun 14, 2023

カムバックと呼ぶ: 栗に戦うチャンスを与えるワーネル研究所の先駆者のプロセス

L'anno scorso, i ricercatori hanno raccolto più oggetti su un appezzamento di terreno nel centro di New York.

昨年、研究者らはニューヨーク中部の土地で1万1000個以上の栗を集めた。

しかし、これらのナッツは絶対に直火でローストしません。 代わりに、それらは再植され、栗枯れ病に対する耐性を木に与える特定の遺伝子、シュウ酸オキシダーゼ（OxO）の存在について検査される。

過去 100 年間にこの菌がアジアの栗の木とともに北米に渡来して失われた数十億個の栗を再び植えるには、まだ長い旅が必要です。 しかし、細胞レベルの技術、研究提携、ジョージア大学ワーネル森林天然資源大学院の科学者らが開発した、遺伝的に同一の栗の胚を複製する技術のおかげで、これまで何世代にもわたって行われてきた以上の進歩が見られる。

栗の木は気難しい木だということが分かりました。

1900 年代初頭に彼らが疫病に倒れ始めたとき、科学者たちは最初に病原体クリフォネクトリア パラシチカの攻撃を試みました。 科学者たちはまた、在来の栗とアジアの品種を交配しようとしましたが、これらの木は、たとえ枯病に対してある程度の耐性を示したとしても、森林に存続することはありませんでした。

技術が進化するにつれて、科学者たちは栗を栽培する新しい方法を模索しました。 1980 年代にワーネル大学で、スコット マークル教授は、野生で発見された生き残った木から採取したサンプルのクローンを作成するために、体細胞胚形成の研究を開始しました。 これらの木はナッツを生産するのに十分な長さで生き、それが収穫され、文化を始めるために使用されました。 1989 年頃、彼はプロセスを微調整しました。体細胞胚発生は、ナッツからの種子胚から始まります。 クローンを作成して、遺伝的に同一の新しい胚を何千個も作り、成熟胚への発育を完了する信号が与えられるまで増殖します。 この不定胚が発芽して苗木になります。

当時、科学者たちは、栗が疫病と戦うのを助けるためにどのような遺伝子が使用されるかを知りませんでした。 マークル氏は、このような気難しい木で組織培養が完成すれば、将来的に役立つ可能性があると考えた。

「彼はそれを2つのことを行うためのツールだと考えていた」とマークル氏の研究室で博士研究員として働いていた、UGA農業環境科学大学のデイトン・ワイルド教授は語った。 「遺伝子形質転換の標的――どのような遺伝子がそこに存在するかさえ分からないが、利用可能になる可能性のある耐性遺伝子があるかもしれないことはわかっていて、それを組み込む方法が必要だった――そして第二に、遺伝子を持った木を入手したら遺伝学を改良するには、そのコピーをたくさん作る必要があります。胚形成を通じて大量増殖が可能です。」

同じ頃、ニューヨーク州立大学環境科学・林業学部（SUNY-ESF）の科学者たちは、新芽の新芽に遺伝子を挿入しようと試みていた。 まるで各研究室が同じパズルのピースをはめているかのようでした。 マークル氏が新しい遺伝子の媒体として体細胞胚を苗木に成長させることに取り組んでいる一方で、SUNY-ESFの研究者であるビル・パウエル氏とチャック・メイナード氏は新しい遺伝子を実験していたが、それらを植物に定着させることはできなかった。

「当時、私たちはキイロポプラの胚形成培養を扱うための優れた遺伝子形質転換システムを持っていて、それを栗に応用したようなものでした。スコットは実際、栗の体細胞胚形成システムを開発した最初の人物でした」とワイルド氏は語った。 「その頃、SUNY-ESF も栗の修復に興味を持っており、これについてスコットと協力したいと考えていました。」

メイナード氏は、博士研究員の Zizhuo Xing 氏を採用しました。Zizhuo Xing 氏は、パズルのピースを結びつけるのを手伝ってくれました。彼は、マークルの体細胞プロトコルを胚形成培養の研究に適用しました。

SUNY-ESFのパウエル氏がテンプルトン世界慈善財団に寄せた2019年のインタビューで、シュウ酸と栗枯れ病との関連性について述べた。菌類はシュウ酸を使って木を攻撃するが、もしシュウ酸を分解する木を育てることができれば酸性の場合、理論的には、疫病の影響を受けなくなります。

天然の細菌プロセスを使用して、実験室で増殖させた細胞にOxO遺伝子を挿入することで、アジアの栗と同様のレベルの耐性を持つ栗を栽培することができました。

「細菌がDNAを植物細胞に移すと、私たちはそれらの細胞を増殖させ、最終的にはそれらの細胞から木を成長させます。スコットの研究は、単一の細胞から植物全体に至るプロセス、特に栗の場合、まさに鍵となっています」とアンディ氏は語った。 Newhouse 氏、SUNY-ESF のアメリカンチェストナット研究および修復プロジェクトの共同ディレクター。 「遺伝子工学による栗の復元作業全体に 30 年以上かかった理由の 1 つは、プロセスのすべての段階を考慮する必要があるためです。しかし、スコットの仕事と私たちの研究室での重複した作業のおかげで、それを実現することができました。」

数十年にわたり、研究室間の切磋琢磨した競争が新たな発見の推進に役立ってきました。 種苗会社 ArborGen と、最近では Forest Health Initiative も、体細胞胚形成と遺伝子導入システムに取り組むために両研究室に資金を提供しました。

アメリカ チェスナット財団もこの取り組みの重要なパートナーです。 研究に資金を提供し、プロセスを正式化し、修復プロセスに協力する意欲のある保育園のネットワークを構築するのに役立ちました。

アメリカンチェストナット財団の最高保護責任者であるサラ・フィッツシモンズ氏は、ここ数十年の進歩は驚くべきものであると語った。

「2010年代半ばまでは、栗の修復のさまざまな側面に多くの人々が取り組んでおり、NE-1333と呼ばれるグループを通じて協力関係が築かれていました。私たちは集まって、どこに相互協力関係があるのか​​を確認していました」とフィッツシモンズ氏は語った。 「スコットは主に組織培養と凍結保存に焦点を当て、トランスジェニックパイプラインを改善するメカニズムを解明しています。ESFのビルの研究室は、スコットの研究室で起こっていることについて多くの意見を取り入れてそれを行っています。」

ただし、ニューヨーク中心部の栗が近くの保育園で見つかるまでには、まだ障害が 1 つあります。 そしてそれは遺伝子と規制に関係しています。

パウエルの研究室は、OxO 遺伝子によるニューヨーク産栗の形質転換に成功し、ダーリング 58 と呼ばれる新しい系統を作成しました。その後、この系統から体細胞胚を生成し、新芽を発根させてトランスジェニック ダーリング 58 の木を生成しました。

トランスジェニック樹木を研究に使用する場合、USDA-APHIS からの野外試験許可が必要です。 これは複雑なプロセスではありますが、トランスジェニック樹木を一般に配布するために必要な「非規制状態」ほど複雑ではありません。 これにはUSDA-APHIS、EPA、FDAの承認が必要で、実現には何年もかかっているが、今後数カ月以内に決定が下される予定だ。

承認されれば、トランスジェニック樹木にとって大きな一歩となる。 これまで、このプロセスは農業分野で遺伝子組み換え作物の承認に使用されてきました。 企業はアプリケーションを完成させて管理するチームを雇用します。

連邦政府への申請を最終段階まで見守ってきたニューハウス氏は、「実現不可能だと言われた」と付け加えた。 「そして、何年も会議をして物事を解決するのに時間がかかりましたが、ここに来ています。3つのエージェンシーすべてからの関与があり、すぐに決定が下される予定です。」

マークル氏は、数年前にホワイトホール・フォレストでトランスジェニック栗の木を栽培したり、UGA園芸農場で栗を受粉させるのに必要な事務手続きを思い出してため息をついた。 彼はSUNY-ESFからの花粉を使用しました。 これらの木はナッツを生産し、その後、SUNY-ESF、ペンシルバニア州立大学、およびメドービューの TACF 研究農場に送られ、疫病抵抗性をテストされました。

マークル氏は、自身が栽培したトランスジェニック樹木に関しては、野外試験は終了したと述べた。 しかし、彼は自分の研究室で、他の人がフィールドテストできるようにトランスジェニック苗木を栽培することにまったく満足しています。 そして、それがまさにマークルが栗の開発の次の段階を支援している方法なのです。

栗はメイン州からジョージア州まで生育しましたが、気候と場所の違いにより、地域全体で異なる遺伝子型が生み出され、地域の条件に応じて遺伝学がわずかに異なりました。 将来の栗は OxO 遺伝子のために選択されるため、ダーリン 58 の染色体上の OxO 遺伝子に隣接する遺伝子のブロックは、時間の経過とともに薄まるのではなく、世代ごとに引き継がれる可能性が高いことを意味します。 「つまり、ニューヨークの木の未知の大きさの塊が、ここジョージア州でダーリング58花粉を使って生産されるすべてのOxOの木に組み込まれる予定だ」とマークル氏は語った。

彼は現在、OxO 遺伝子を地域品種の栗に直接挿入する研究を行っており、ダーリン 58 が連邦政府の承認を得られれば、その地域の気候で栽培できるようになる。 この研究は、アメリカン・チェスナット財団とカロライナ財団の支援を受けて、研究専門家のライアン・タル氏と博士研究員のヘザー・グラドフェルター氏によってマークル氏の研究室で行われている。 研究専門家のポール・モンテッロ氏は、将来の使用に備えて培養物のコピーを冷凍保存することを監督している。

アメリカ栗財団の科学ディレクター、ジャレッド・ウェストブルック氏は、この研究はアメリカ栗の将来を強化し続けるだろうと語った。

「スコット氏はここ数年、ニューヨークの木だけでなく、他の木にもOxO遺伝子を組み込むことに私たちと協力してきたので、（遺伝子の）ボトルネックはありません」とウェストブルック氏は語った。 「スコットは、栗の胚を培養し、木のゲノムにさまざまな遺伝子を組み込むことができる方法で栗のクローンを作成する遺伝子工学の一部を行うこれらの方法を開発した先駆者です。」

同氏によると、目標は、この範囲全体から集めた200本の木にOxO遺伝子を繁殖させることだという。 科学者たちは毎年、数千本の木に手作業で受粉させます。 規制緩和により、年間1万本の植樹まで拡大する可能性がある。

大まかに見積もると、元の栗の個体数は 40 億個と推定されます。 これは取り替えなければならない木が大量にあり、木を森に戻す責任を負っているフィッツシモンズにとっては大規模な物流上の問題である。

しかし、今年後半に苗木が配布される可能性を見越して、苗床園と協力することに彼女は希望を抱いている。 ほんの数十年前に栗があった状況とは大きく変わりました。

「栗は、私たちがいわゆる難解な種です。種は1年しか保存できません。そして、この種を扱うのが難しい種には、さまざまな理由があります」と彼女は言う。 「しかし、これはスコットとビルの研究室が成し遂げた飛躍の一部です。彼らはこれらの課題のいくつかを克服する方法を見つけました。」

この記事はワーネル森林天然資源学校によって最初に出版され、許可を得て再出版されています。