Genetic architecture and genomic prediction of stem forking across two generations of loblolly pine (Pinus taeda L.)
この研究は、ロブリーパインにおける幹の分岐は家系レベルでは顕著な相加的遺伝的制御下にあり、そのため欠陥を低減するための家系ベースのゲノム選抜が有効である一方で、個体木におけるその発現は環境要因に強く影響されるため、個体レベルの遺伝率が低く予測精度を困難にしていることを明らかにしている。
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アメリカ南部では、ロブロリーパイン（ロウロリーマツ）が森林における産業の主力として活躍しています。これらの木は成長が早く、多様な土壌に適応し、建設用材から紙製品に至るまで、あらゆる木材を提供しています。何十年もの間、森林管理者はこれらの木をより高く、より真っ直ぐに成長させるために品種改良を行ってきました。その結果、野生の森林よりもはるかに生産性の高い広大な植林地が作り出されてきました。しかし、自然はめったに完璧ではありません。最高級に改良された木であっても、時として特定の欠陥である「茎の分岐（ステム・フォーク）」を発症することがあります。これは、主幹が2つ以上の競合するリーダー（頂端枝）に分かれたり、大きな枝が鋭く不自然な角度で成長したりすることで起こります。これらの変形は、木の中に大きな節や不規則な木目を作り出し、高価値な製品への利用を困難にするだけでなく、嵐の際に折れやすくさせます。寒波や物理的な損傷が樹木の分岐を引き起こすことはよく知られていますが、科学者たちは、この欠陥がどれほど遺伝子に書き込まれており、どれほどが単なる天候による不運なのかという謎に長年直面してきました。このバランスを理解することは、次世代の森林のために最適な親を選択しようとする育種家にとって極めて重要です。
ノースカロライナ州立大学の研究チームは、2世代にわたるロブロリーパインの膨大な育種プログラムを調査することで、この謎を解明しようとしました。彼らは約19,000本の木からデータを収集し、それぞれの木に分岐があるか、あるいは真っ直ぐであるかを記録し、これを詳細なDNAマーカーによる遺伝情報と組み合わせました。研究者たちは、この形質が二値的（あるかないかのどちらか）であるという統計的な課題に直面しました。つまり、木は分岐しているか、していないかのいずれかです。これに対処するため、彼らは環境の影響と遺伝の影響を分離できる高度なコンピュータモデルを使用しました。彼らは、結果の堅牢性を確保するために、長年使用されてきた手法と、この種のデータに対してより正確になるよう設計された新しい手法を比較しながら、これらの影響を算出するさまざまな方法をテストしました。
研究の結果、個々の木と家系グループの間には顕著なコントラストがあることが明らかになりました。個々の木に着目したとき、研究者たちは、その木の遺伝的構成が分岐するかどうかに与える影響は非常に小さいことを見出しました。結果は主に霜や土壌条件といった環境要因によって決定されていました。個々の木における遺伝的影響は非常に低かったため、特定の苗木が分岐するかどうかを予測することは困難でした。しかし、木の一家系全体の平均的なパフォーマンスを見たとき、状況は一変しました。家系には非常に強い遺伝的パターンが見られ、特定の家系は分岐した木を生じやすい傾向があり、他の家系は自然に耐性を持っていることが分かりました。これは、個々の木が分岐するかどうかを簡単に予測することはできないものの、どの家系が平均して分岐の少ない木を生み出すかは確実に予測できることを示唆しています。
チームはまた、この欠陥の原因となる特定の遺伝子を見つけ出し、容易に追跡できる「マスタースイッチ」を見つけようと、木々のDNAを探索しました。彼らは、特定の家系においてのみ茎の分岐と強く関連している、遺伝地図上の特定の箇所を一つ特定しました。その特定の家系においては、あるバージョンの遺伝マーカーが、木の分岐を発生させる確率を高めていました。しかし、研究者がこのマーカーを育種集団全体に適用して予測を改善しようとしたところ、効果は見られませんでした。そのマーカーは、その特定の家系に特化しすぎており、より広範なグループには有用ではなかったのです。この発見は、茎の分岐がすべての木に影響を与える単一の主要な遺伝子によって引き起こされるのではなく、多くの小さな遺伝的影響が組み合わさって作用しており、それらが環境条件によって容易にかき消されてしまうものであることを示唆しています。
森林管理への示唆は明白です。この形質は個体レベルでは環境の影響を強く受けるため、単に見た目に基づいて最高の単独の木を選別することはあまり効果的ではありません。代わりに、最も成功する戦略は、平均的なパフォーマンスに基づいて家系全体を選択することです。ゲノミクスツールを用いて家系の遺伝的可能性を予測することで、育種家は、次世代の個々の木が依然として予測不可能な天候に直面していたとしても、分岐の傾向を伝えない可能性が高い親を選択することができます。また、本研究は成長と欠陥との間の微妙な関連性も見出しました。成長が早い木は、分岐が発生する遺伝的リスクがわずかに高い傾向がありました。これは、育種家が単に最も成長の早い木を追い求めるだけでは不十分であり、将来の森林を生産的かつ高品質なものにするために、成長と形態のバランスを取らなければならないことを意味しています。最終的に、この研究は、私たちは天候をコントロールすることはできないものの、遺伝学を用いることで、天候に対してより強靭な森林を築くことができるということを裏付けています。
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