雑種致死

異なる植物間で交雑を行うと、雑種胚や雑種植物が致死することがあります。これを雑種致死と呼びます。ここでは雑種植物に生じる致死性についての研究内容や研究成果を紹介します。私たちは、タバコの栽培種と野生種を用いて、種間雑種に生じる雑種致死の解析を行っています。タバコ属には多くの種が存在しますが、栽培種のNicotiana tabacum（タバコ）や野生種のN. benthamianaなど、研究上重要な種が含まれています。これらはモデル植物としての長い歴史があり、多くの知見や実験手法が蓄積されていることから、様々な研究に用いられています。タバコ属植物は人為交雑が容易なこともあり、雑種致死などの生殖隔離の研究で扱いやすい研究材料ということで使用しています。

種間交雑育種

種間交雑（遠縁交雑）による育種を行うためには、最初に種間雑種（F1）を作出する必要があります。ここではタバコを例に紹介します。

NTabacum1

NTabacum2

NTabacum3

タバコ野生種1

タバコ野生種2

タバコ野生種3

タバコ野生種4


種間雑種を作出するために、最初は人工交雑を試します。

HandPollination


両親とする種の間に生殖隔離が認められなければ、人工交雑で雑種植物を得ることができます（Tezuka et al. 2010）。この雑種植物を親（栽培種）に連続戻し交雑することで有用遺伝子を導入するなどの育種の操作を行うことができます。

TobaccoInterspecificHybrid


しかし、異なる種の間には生殖隔離が発達していることが多く、人工交雑を行っても雑種植物が得られないことがしばしばあります。このような場合、観察される障害に応じて適切な方法を選択して実施する必要があります。タバコではいくつかの有効な方法が確立されています。例えば、受粉しても受精に至らないような場合には試験管内受粉を行い、種子発育不全が生じる場合には胚救済技術である胚珠培養を行います（Tezuka and Marubashi 2004）。

Test-TubePollination

OvuleCulture


また「しかし」ですが、いくつかの技術を組合せるなどして苦労して雑種実生を得ても、雑種致死が生じて開花前に枯死してしまうことがあります。

雑種致死の症状

雑種致死は遺伝的に制御された現象であり、交雑組合せによって雑種致死が生じるか、生じないかが決まっています。また、雑種致死の症状も交雑組合せによって異なります。例えば、子葉期に胚軸と根の褐変を特徴とする致死性が認められる組合せ（下図；Tezuka 2013）、本葉を何枚か展開した時期に本葉が黄化することを特徴とする致死性が認められる組合せなどがあります。雑種致死の過程ではプログラム細胞死が生じていることも明らかになっています（Tezuka and Marubashi 2004、2006；Tezuka et al. 2007）。

タバコ雑種致死の様子

雑種致死の温度感受性

これまでに、雑種致死はタバコの生育に適した温度で生じますが、雑種を高温で栽培することで回避できることがわかっています。下図は左から28℃、30℃、32℃、34℃、36℃でタバコ種間雑種を育成したときの様子です。34℃と36℃では致死性が抑制されています（Tezuka et al. 2007）。

温度感受性28-36度


しかし、34℃で致死性を抑制したタバコ種間雑種を28℃に移すと、生育が停止して致死性が生じます（下図）。このようにタバコ種間雑種では、温度変化によって雑種致死を制御することができます。

致死誘導

雑種致死を解明するために

これまでの遺伝学や分子生物学的な手法を駆使した実験により、雑種致死の機構がある程度わかってきていますが、まだまだ未解明の点が多く残されています。引き続き、雑種致死が生じる機構などを明らかにするために研究を行っています。

雑種致死に関連する発表論文

*：Corresponding author（責任著者）

  1. Takahiro Tezuka*, Shota Nagai, Chihiro Matsuo, Toshiaki Okamori, Takahiro Iizuka, Wataru Marubashi (2024) Genetic cause of hybrid lethality observed in reciprocal interspecific crosses between Nicotiana simulans and N. tabacum. International Journal of Molecular Sciences 25(2): 1226. https://doi.org/10.3390/ijms25021226
  2. Masanobu Mino*, Clément Lafon Placette, Takahiro Tezuka (2023) Editorial: Molecular insights in plant reproductive isolation barriers. Frontiers in Plant Science 14: 1257823. https://doi.org/10.3389/fpls.2023.1257823
  3. Hai He, Kumpei Shiragaki, Takahiro Tezuka* (2023) Understanding and overcoming hybrid lethality in seed and seedling stages as barriers to hybridization and gene flow. Frontiers in Plant Science 14: 1219417. https://doi.org/10.3389/fpls.2023.1219417

  4. Masanobu Mino*, Takahiro Tezuka, Sachiko Shomura (2022) The hybrid lethality of interspecific F1 hybrids of Nicotiana: a clue to understanding hybrid inviability—a major obstacle to wide hybridization and introgression breeding of plants. Molecular Breeding 42(2): 10. https://doi.org/10.1007/s11032-022-01279-8

  5. Takahiro Tezuka*, Naoto Kitamura, Masanori Yanase, Toshinobu Morikawa (2021) Evaluation of crossability between Nicotiana benthamiana and Nicotiana excelsior. Agronomy 11(12): 2583. https://doi.org/10.3390/agronomy11122583

  6. Takahiro Tezuka*, Naoto Kitamura, Sae Imagawa, Akira Hasegawa, Kumpei Shiragaki, Hai He, Masanori Yanase, Yoshiyuki Ogata, Toshinobu Morikawa, Shuji Yokoi (2021) Genetic mapping of the HLA1 locus causing hybrid lethality in Nicotiana interspecific hybrids. Plants 10(10): 2062. https://doi.org/10.3390/plants10102062

  7. Kenji Kawaguchi, Yuichiro Ohya, Maho Maekawa, Takahiro Iizuka, Akira Hasegawa, Kumpei Shiragaki, Hai He, Masayuki Oda, Toshinobu Morikawa, Shuji Yokoi, Takahiro Tezuka* (2021) Two Nicotiana occidentalis accessions enable gene identification for Type II hybrid lethality by the cross to N. sylvestris. Scientific Reports 11: 17093. https://doi.org/10.1038/s41598-021-96482-6

  8. Yushi Katsuyama, Mizuho Doi, Sachi Shioya, Sanae Hane, Momoko Yoshioka, Shuichi Date, Chika Miyahara, Tomomichi Ogawa, Ryo Takada, Hanako Okumura, Rie Ikusawa, Sakihito Kitajima, Kenji Oda, Kenji Sato, Yoshikazu Tanaka, Takahiro Tezuka, Masanobu Mino* (2021) The role of chaperone complex HSP90-SGT1-RAR1 as the associated machinery for hybrid inviability between Nicotiana gossei Domin and N. tabacum L. Gene 776:145443. https://doi.org/10.1016/j.gene.2021.145443

  9. Kumpei Shiragaki, Rie Nakamura, Shigeki Nomura, Hai He, Tetsuya Yamada, Wataru Marubashi, Masayuki Oda, Takahiro Tezuka* (2020) Phenylalanine ammonia-lyase and phenolic compounds are related to hybrid lethality in the cross Nicotiana suaveolens × N. tabacum. Plant Biotechnology 37(3): 327-333. https://doi.org/10.5511/plantbiotechnology.20.0606a

  10. Hai He, Takahiro Iizuka, Maho Maekawa, Kumi Sadahisa, Toshinobu Morikawa, Masanori Yanase, Shuji Yokoi, Masayuki Oda, Takahiro Tezuka* (2019) Nicotiana suaveolens accessions with different ploidy levels exhibit different reproductive isolation mechanisms in interspecific crosses with Nicotiana tabacum. Journal of Plant Research 132(4): 461-471. https://doi.org/10.1007/s10265-019-01114-w

  11. Takahiro Iizuka, Tsutomu Kuboyama, Wataru Marubashi, Masayuki Oda, Takahiro Tezuka* (2012) Nicotiana debneyi has a single dominant gene causing hybrid lethality in crosses with N. tabacum. Euphytica 186(2): 321-328. http://dx.doi.org/10.1007/s10681-011-0570-3

  12. Takahiro Tezuka*, Chihiro Matsuo, Takahiro Iizuka, Masayuki Oda, Wataru Marubashi (2012) Identification of Nicotiana tabacum linkage group corresponding to the Q chromosome gene(s) involved in hybrid lethality. PLoS ONE 7(5): e37822. http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0037822

  13. Takahiro Tezuka*, Wataru Marubashi (2012) Genes in S and T subgenomes are responsible for hybrid lethality in interspecific hybrids between Nicotiana tabacum and Nicotiana occidentalis. PLoS ONE 7(4): e36204. http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0036204

  14. 手塚孝弘*・丸橋亘（2011）タバコ栽培種とSuaveolentes節に属するタバコ野生種との種間雑種に認められる雑種致死．作物研究 56: 9-15. https://doi.org/10.18964/jcr.56.0_9

  15. Takahiro Tezuka*, Tsutomu Kuboyama, Toshiaki Matsuda, Wataru Marubashi (2010) Seven of eight species in Nicotiana section Suaveolentes have common factors leading to hybrid lethality in crosses with Nicotiana tabacum. Annals of Botany 106(2): 267-276. http://dx.doi.org/10.1093/aob/mcq114

  16. Takahiro Tezuka, Tsutomu Kuboyama, Toshiaki Matsuda, Wataru Marubashi* (2007) Possible involvement of genes on the Q chromosome of Nicotiana tabacum in expression of hybrid lethality and programmed cell death during interspecific hybridization to Nicotiana debneyi. Planta 226(3): 753-764. http://dx.doi.org/10.1007/s00425-007-0522-2

  17. Takahiro Tezuka, Wataru Marubashi* (2006) Genomic factors lead to programmed cell death during hybrid lethality in interspecific hybrids between Nicotiana tabacum and N. debneyi. SABRAO Journal of Breeding and Genetics 38(2): 69-81.

  18. Takahiro Tezuka, Wataru Marubashi* (2006) Hybrid lethality in interspecific hybrids between Nicotiana tabacum and N. suaveolens: evidence that the Q chromosome causes hybrid lethality based on Q-chromosome-specific DNA markers. Theoretical and Applied Genetics 112(6): 1172-1178. http://dx.doi.org/10.1007/s00122-006-0219-0

  19. Takahiro Tezuka, Katsura Onosato, Saori Hijishita, Wataru Marubashi* (2004) Development of Q-chromosome-specific DNA markers in tobacco and their use for identification of a tobacco monosomic line. Plant and Cell Physiology 45(12): 1863-1869. http://dx.doi.org/10.1093/pcp/pch204

  20. Takahiro Tezuka, Wataru Marubashi* (2004) Apoptotic cell death observed during the expression of hybrid lethality in interspecific hybrids between Nicotiana tabacum and N. suaveolens. Breeding Science 54(1): 59-66. http://dx.doi.org/10.1270/jsbbs.54.59

雑種致死に関連する発表著書

  1. Takahiro Tezuka* (2013) Hybrid lethality in Nicotiana: a review with special attention to interspecific crosses between species in sect. Suaveolentes and N. tabacum. In: Florian Wallner (ed) Herbaceous Plants: Cultivation Methods, Grazing and Environmental Impacts. Nova Science Publishers, New York, pp. 69-94.

  2. Takahiro Tezuka* (2012) Hybrid lethality in the genus Nicotiana. In: John Kiogora Mworia (ed) Botany. InTech, Rijeka, Croatia, pp. 191-210. https://www.intechopen.com/books/botany/hybrid-lethality-in-the-genus-nicotiana