東北大学研究者紹介

研究者詳細

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クワバラ　コウスケ

桑原　康介

Kosuke Kuwabara

所属

大学院農学研究科　生物生産科学専攻　植物生命科学講座（環境適応植物工学分野）

職名

特任助教（研究）

学位

博士（農学）（筑波大学）
修士（農学）（筑波大学）

researchmap

https://researchmap.jp/kosukekuwabara

J-GLOBAL ID

202201009138151954

ORCID

https://orcid.org/0000-0003-3945-4280

経歴 4

2024年4月～継続中

東北大学大学院農学研究科
2021年4月～ 2024年3月

独立行政法人日本学術振興会　特別研究員 (DC1)
2021年4月～ 2024年3月

筑波大学大学院理工情報生命学術院　博士後期課程
2019年4月～ 2021年3月

筑波大学大学院生命環境科学研究科　博士前期課程

学歴 4

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

2021年4月～ 2024年3月
筑波大学大学院　生命環境科学研究科　生物資源科学専攻

2019年4月～ 2021年3月
筑波大学　生命環境学群生物学類

2017年4月～ 2019年3月
沼津工業高等専門学校　物質工学科

2012年4月～ 2017年3月

所属学協会 3

日本育種学会

2021年～継続中
日本植物生理学会

2022年4月～
日本植物バイオテクノロジー学会

2022年4月～

研究キーワード 8

こめ油
稔性回復
イネ
ゲノム編集
花粉
ミトコンドリア
細胞質雄性不稔性
トマト

研究分野 3

環境・農学 / 遺伝育種科学 / 花粉
環境・農学 / 遺伝育種科学 / ミトコンドリア
環境・農学 / 遺伝育種科学 / 細胞質雄性不稔性

受賞 7

優秀ポスター賞

2024年11月　第19回東北育種研究集会　組織別トランスクリプトーム解析による、イネのぬか特異的な遺伝子発現を誘導するcis-elementの探索
第41回日本植物バイオテクノロジー学会（仙台）大会学生奨励賞

2024年8月　日本植物バイオテクノロジー学会　トマトにおける細胞質雄性不稔性と稔性回復に関する研究
Best Posters Presentations

2022年11月　The XVII International Conference on the Plant Family of Solanaceae (SOL2022)　Transcriptome analysis in cytoplasmic male sterile tomato to elucidate male sterile mechanism
優秀発表賞

2022年10月　第5回植物インフォマティクス研究会・年会（2022年）　ミトコンドリアゲノム解析およびゲノム編集によるトマト細胞質雄性不稔遺伝子の同定
令和2年度専攻長表彰

2021年3月　筑波大学大学院　細胞質雄性不稔性トマトの雄性不稔化の分子機構解明
第139回講演会日本育種学会優秀発表賞

2021年3月　日本育種学会　細胞質雄性不稔性トマトは花粉発芽時特異的に形態異常を示す
先導的研究者体験プログラム研究発表会優秀賞

2018年1月　筑波大学　単為結果性を誘導した高品質トマトの開発

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論文 8

Characterization and Transcriptome Analysis Reveal Abnormal Pollen Germination in Cytoplasmic Male Sterile Tomato 査読有り

Kosuke Kuwabara, Tohru Ariizumi

International Journal of Molecular Sciences　26　(17)　8337-8337　2025年8月28日
出版者・発行元： MDPI AG
DOI： 10.3390/ijms26178337 　

eISSN：1422-0067

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Cytoplasmic male sterility (CMS) is a plant trait wherein plants cannot develop normal male organs because of the mitochondrial genes. Although the mitochondrial gene orf137 has been identified as the CMS-causing gene in tomatoes, its function remains unclear. In this study, we characterized the sterile male phenotypes and analyzed the CMS pollen transcriptome. Microscopic and calcium imaging analyses revealed that CMS pollen exhibited abnormal germination from multiple apertures, accompanied by elevated calcium concentrations and vesicle accumulation, which are typically observed in pollen tube tips. RNA-Seq analysis revealed 440 differentially expressed genes, including four pectin methylesterase inhibitor (PMEI) genes that were highly expressed in the pollen. PME activity was significantly reduced in CMS pollen, suggesting its association with abnormal pollen germination. ATP and reactive oxygen species (ROS) levels, which are key mediators of mitochondrial retrograde signaling (MRS), remained unchanged in CMS pollen, and the expression of the mitochondrial stress marker AOX1a was not elevated. These findings suggest that orf137 triggers an alternative MRS pathway independent of ATP or ROS, potentially leading to PMEI upregulation and abnormal pollen germination. Our results reveal a previously unrecognized mechanism of CMS-induced male sterility in tomatoes involving nuclear gene regulation through unconventional mitochondrial signaling.
Multiple fertility restorer loci for cytoplasmic male sterility caused by orf137 in tomato 査読有り

Yurie Iki, Issei Harada, Kentaro Ezura, Seira Mashita, Kosuke Kuwabara, Hitomi Takei, Atsushi Toyoda, Kenta Shirasawa, Tohru Ariizumi

Journal of Experimental Botany　2025年7月8日
出版者・発行元： Oxford University Press (OUP)
DOI： 10.1093/jxb/eraf309 　

ISSN：0022-0957

eISSN：1460-2431

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Abstract Cytoplasmic male sterility (CMS) in plants is caused by incompatibility between nuclear and cytoplasmic genetic information. Fertility can be restored through the action of fertility restoration (RF) genes, which are usually present in the nucleus. CMS lines of tomato (Solanum lycopersicum) have been developed from asymmetric cell fusions, in these lines, cultivated tomato served as a nuclear donor and its wild relative, S. acaule, as a cytoplasm donor. Although RF genes are present in wild relatives of tomato, no genetic or genomic information on the RF genes is yet available. This study reports an RF genetic locus, RF1, on chromosome 1 of S. pimpinellifolium LA1670 and S. lycopersicum var. cerasiforme LA1673 that was revealed by bulked segregant analysis and sequencing. An additional RF locus, RF2, was identified on chromosome 2 of LA1670. The genomic sequence of S. cheesmaniae LA0166 was assembled using high-fidelity, long-read sequencing technology. Sequence comparisons identified further candidate RF genes on chromosome 1 of S. cheesmaniae LA0166. These results suggested that multiple gene loci control the fertility restoration trait in wild relatives of tomato.
Relationship Between Open Reading Frame 320, a Gene Causing Male Sterility in Tomatoes, and Cytoplasmic Male Sterility in Potatoes

Rika Nakajima, Rena Sanetomo, Kenta Shirasawa, Tohru Ariizumi, Kosuke Kuwabara

bioRxiv　2025年4月18日

DOI： 10.1101/2025.04.17.649265 　
Artificial mutations in the nuclear gene encoding mitochondrial RNA polymerase restore pollen fertility in cytoplasmic male sterile tomato

Kosuke Kuwabara, Rika Nakajima, Alexis Gaetan Van Bosstraeten, Kentaro Ezura, Kinya Toriyama, Tohru Ariizumi, Kenta Shirasawa

bioRxiv　2025年2月23日
出版者・発行元： Cold Spring Harbor Laboratory
DOI： 10.1101/2025.02.18.638787 　

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Cytoplasmic male sterility (CMS) and restorer of fertility (Rf) are important traits in F1 hybrid breeding. However, the CMS/Rf system has not been used in tomatoes because of the limited resources of Rf lines. In this study, we performed mutagenesis in tomato CMS seeds and successfully obtained 13 suppressor mutants with pollen fertility. Using bulked segregant analysis and whole-genome sequencing for each suppressor mutant, we detected mutations associated with fertility restoration in the nuclear-encoded gene for the mitochondrial RNA polymerase termed SlRPOTm in four independent mutants created through mutagenesis. Furthermore, we found that the loss of function of SlRPOTm was associated with fertility restoration in the tomato CMS line. Expression analysis of orf137, a tomato CMS-causing gene, revealed that reduced expression of orf137 was associated with fertility restoration in tomato CMS. In addition, F1 plants carrying mutations in SlRPOTm were generated, and tomato fruit formation was comparable to that of normal F1 plants. This study demonstrates for the first time that the loss of function of mitochondrial RNA polymerase contributes to fertility restoration in CMS lines. Furthermore, it is possible to replace various tomato varieties with Rf lines using genome editing technology, which will promote tomato F1 breeding in the future.
植物オルガネラゲノム育種の可能性

桑原康介, 辻村真衣, 中里一星, 堤伸浩, 竹中瑞樹, 風間智彦

育種学研究　2024年4月
出版者・発行元：
DOI： 10.1270/jsbbr.26.w02 　

ISSN：1344-7629

eISSN：1348-1290
orf137 triggers cytoplasmic male sterility in tomato 国際誌査読有り

Kosuke Kuwabara, Shin-ichi Arimura, Kenta Shirasawa, Tohru Ariizumi

Plant Physiology　189　(2)　465-468　2022年2月25日
出版者・発行元： Oxford University Press (OUP)
DOI： 10.1093/plphys/kiac082 　

eISSN：1532-2548

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mitoTALEN, a mitochondrial genome editing technology, demonstrated that the mitochondrial gene orf137 is responsible for inducing cytoplasmic male sterility in tomato.
Organelle genome assembly uncovers the dynamic genome reorganization and cytoplasmic male sterility associated genes in tomato 国際誌査読有り

Kosuke Kuwabara, Issei Harada, Yuma Matsuzawa, Tohru Ariizumi, Kenta Shirasawa

Horticulture Research　8　(1)　250-250　2021年12月
出版者・発行元： Oxford University Press (OUP)
DOI： 10.1038/s41438-021-00676-y 　

ISSN：2662-6810

eISSN：2052-7276

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Abstract To identify cytoplasmic male sterility (CMS)-associated genes in tomato, we determined the genome sequences of mitochondria and chloroplasts in three CMS tomato lines derived from independent asymmetric cell fusions, their nuclear and cytoplasmic donors, and male fertile weedy cultivated tomato and wild relatives. The structures of the CMS mitochondrial genomes were highly divergent from those of the nuclear and cytoplasmic donors, and genes of the donors were mixed up in these genomes. On the other hand, the structures of CMS chloroplast genomes were moderately conserved across the donors, but CMS chloroplast genes were unexpectedly likely derived from the nuclear donors. Comparative analysis of the structures and contents of organelle genes and transcriptome analysis identified three genes that were uniquely present in the CMS lines, but not in the donor or fertile lines. RNA-sequencing analysis indicated that these three genes transcriptionally expressed in anther, and identified different RNA editing levels in one gene, orf265, that was partially similar to ATP synthase subunit 8, between fertile and sterile lines. The orf265 was a highly potential candidate for CMS-associated gene. This study suggests that organelle reorganization mechanisms after cell fusion events differ between mitochondria and chloroplasts, and provides insight into the development of new F1 hybrid breeding programs employing the CMS system in tomato.
De novo genome assembly of two tomato ancestors, Solanum pimpinellifolium and Solanum lycopersicum var. cerasiforme, by long-read sequencing 査読有り

Hitomi Takei, Kenta Shirasawa, Kosuke Kuwabara, Atsushi Toyoda, Yuma Matsuzawa, Shinji Iioka, Tohru Ariizumi

DNA Research　28　(1)　2021年1月19日
出版者・発行元： Oxford University Press ({OUP})
DOI： 10.1093/dnares/dsaa029 　

ISSN：1756-1663

eISSN：1756-1663

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Abstract The ancestral tomato species are known to possess genes that are valuable for improving traits in breeding. Here, we aimed to construct high-quality de novo genome assemblies of Solanum pimpinellifolium ‘LA1670’ and S. lycopersicum var. cerasiforme ‘LA1673’, originating from Peru. The Pacific Biosciences (PacBio) long-read sequences with 110× and 104× coverages were assembled and polished to generate 244 and 202 contigs spanning 808.8 Mbp for ‘LA1670’ and 804.5 Mbp for ‘LA1673’, respectively. After chromosome-level scaffolding with reference guiding, 14 scaffold sequences corresponding to 12 tomato chromosomes and 2 unassigned sequences were constructed. High-quality genome assemblies were confirmed using the Benchmarking Universal Single-Copy Orthologs and long terminal repeat assembly index. The protein-coding sequences were then predicted, and their transcriptomes were confirmed. The de novo assembled genomes of S. pimpinellifolium and S. lycopersicum var. cerasiforme were predicted to have 71,945 and 75,230 protein-coding genes, including 29,629 and 29,185 non-redundant genes, respectively, as supported by the transcriptome analysis results. The chromosome-level genome assemblies coupled with transcriptome data sets of the two accessions would be valuable for gaining insights into tomato domestication and understanding genome-scale breeding.

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MISC 8

orf320の過剰発現はトマトに雄性不稔を引き起こす

中嶋梨花, 桑原康介, 白澤健太, 有泉亨

日本植物生理学会年会(Web)　65th　2024年
突然変異育種によるトマト稔性回復系統の開発および稔性回復遺伝子の同定

桑原康介, 中嶋梨花, VAN BOSSTRAETEN A., 江面健太郎, 江面健太郎, 鳥山欽哉, 有泉亨, 白澤健太

育種学研究　26　2024年

ISSN： 1344-7629
細胞質雄性不稔性ジャガイモ品種の稔性回復に向けた研究

中嶋梨花, 桑原康介, 有泉亨, 有村慎一, 白澤健太

育種学研究　25　2023年

ISSN： 1344-7629
細胞質雄性不稔トマトに対する稔性回復系統の組織学的評価

眞下星来, 白澤健太, 武井瞳, 原田壱成, 壹岐友里恵, 桑原康介, 鈴木秀之, 飯岡真司, 有泉亨

育種学研究　25　2023年

ISSN： 1344-7629
トマトおよびジャガイモにおけるCMS原因遺伝子の探索

桑原康介, 中嶋梨花, 小達夏輝, 有村慎一, 白澤健太, 有泉亨

育種学研究　25　2023年

ISSN： 1344-7629
2種の野生種トマトの参照ゲノム配列構築

武井瞳, 白澤健太, 桑原康介, 豊田敦, 松澤佑馬, 飯岡真司, 有泉亨

育種学研究　23　2021年

ISSN： 1344-7629
非対称細胞融合により創出されたトマトのオルガネラゲノムの構造解析

白澤健太, 桑原康介, 原田壱成, 武井瞳, 壹岐友里恵, VANN Sockmean, 松澤佑馬, 飯岡真司, 有泉亨

育種学研究　22　2020年

ISSN： 1344-7629
de novo assemblyによる2種の野生種トマトの参照ゲノム配列構築

武井瞳, 白澤健太, 桑原康介, 松澤佑馬, 飯岡真司, 有泉亨

育種学研究　22　2020年

ISSN： 1344-7629

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書籍等出版物 1

アグリバイオ 2024年11月号葉緑体とミトコンドリアの改変育種

桑原康介

北隆館　2024年11月

講演・口頭発表等 34

こめ油増産に向けたリパーゼ遺伝子のプロモーターおよびコード領域変異株の作出と解析

桑原康介, 浦川めぐみ, 鳥山欽哉, 伊藤幸博

日本育種学会第148回講演会　2025年9月11日
効率的なトマトF1種子生産を目指した稔性回復系統の開発と稔性回復機構の解明

桑原康介, 中嶋梨花, ヴァンボストラエテンアレクシス, 江面健太郎, 鳥山欽哉, 泉亨, 白澤健太

日本育種学会第148回講演会　2025年9月11日
こめ油増産を目指した米ぬか特異的 cis-element の探索とリパーゼ遺伝子プロモーターのゲノム編集

桑原康介, 浦川めぐみ, 伊藤幸博, 鳥山欽哉

イネ遺伝学・分子生物学ワークショップ 2025　2025年7月12日
突然変異育種によるトマト稔性回復系統の開発

桑原康介

第１回「細胞質ゲノム制御」若手の会　2025年5月13日
未熟種子での一過的発現によるイネリパーゼ遺伝子のぬか層特異的シス配列の探索

浦川めぐみ, 桑原康介, 鳥山欽哉, 伊藤幸博

日本育種学会第147回講演会　2025年3月21日
イネのぬか特異的な遺伝子発現を誘導する cis-element の同定を目指したメタ解析

桑原康介, 浦川めぐみ, 伊藤幸博, 鳥山欽哉

日本育種学会第147回講演会　2025年3月21日
突然変異育種によるトマト稔性回復系統の開発および稔性回復遺伝子の同定

桑原康介, 中嶋梨花, ヴァンボストラエテンアレクシス, 江面健太, 鳥山欽, 有泉, 白澤健

日本育種学会第146回講演会　2024年9月20日
トマトにおける細胞質雄性不稔性と稔性回復に関する研究招待有り

桑原康介

第41回日本植物バイオテクノロジー学会（仙台）大会　2024年8月31日
トマトの細胞質雄性不稔性原因遺伝子と稔性回復遺伝子の探索

桑原康介, 中嶋梨花, ヴァンボストラエテンアレクシス, 江面健太, 鳥山欽哉, 有村慎一, 白澤健

学術変革領域研究(A) 細胞内共生オルガネラのゲノム制御若手の会　2024年7月22日
Overexpression of potato orf320 causes male sterility in tomato

Rika Nakajima, Kosuke Kuwabara, Kenta Shirasawa, Tohru Ariizumi

13th International Conference for Plant Mitochondrial Biology (ICPMB 2024)
orf320の過剰発現はトマトに雄性不稔を引き起こす

中嶋梨花, 桑原康介, 白澤健太, 有泉亨

第65回日本植物生理学会年会　2024年3月18日
細胞質雄性不稔性トマトのトランスクリプトーム解析による花粉発芽関連遺伝子の探索

桑原康介, 有泉亨

日本育種学会第145回講演会　2024年3月17日
トマトとジャガイモにおける細胞質雄性不稔性に関する研究招待有り

桑原康介, 中嶋梨花, 有村慎一, 白澤健太, 有泉亨

「植物科学の成果を品種改良に活かす」研究集会　2024年2月1日
細胞質雄性不稔性トマトに対する稔性回復系統の組織学的評価

眞下星来,白澤健太, 武井瞳,原田壱成,壹岐友里恵,桑原康介, 鈴木秀之, 飯岡真司, 有泉亨

第144回日本育種学会　2023年9月17日
細胞質雄性不稔性ジャガイモ品種の稔性回復に向けた研究

中嶋梨花, 桑原康介, 有泉亨, 有村慎一, 白澤健太

第144回日本育種学会　2023年9月17日
トマトおよびジャガイモにおけるCMS原因遺伝子の探索招待有り

桑原康介, 中嶋梨花, 小達夏輝, 有村慎一, 白澤健太, 有泉亨

第144回日本育種学会　2023年9月16日
Pollen from cytoplasmic male sterile tomato show triple-germination

Kosuke Kuwabara, Tohru Ariizumi

Plant Biology 2023　2023年8月5日
Research to restore fertility in CMS potato varieties

Nakajima Rika, Kuwabara Kosuke, Ariizumi Thoru

Plant Biology 2023　2023年8月5日
ジャガイモ β 型 CMS の候補遺伝子の発見

中嶋梨花, 桑原康介, 小達夏輝, 白澤健太, 有泉亨

日本植物生理学会 (JSPP2023)　2023年3月15日
細胞質雄性不稔性トマトにおける花粉内部 Ca2+および小胞の局在性調査

桑原康介, 有泉亨

日本植物生理学会 (JSPP2023)　2023年3月15日
A novel mitochondrial gene, orf137, triggers cytoplasmic male sterility in tomato

Kosuke KUWABARA

14th HOPE MEETING with Nobel Laureates　2023年2月28日
Transcriptome analysis in cytoplasmic male sterile tomato to elucidate male sterile mechanism

Kosuke Kuwabara, Tohru Ariizumi

The XVII International Conference on the Plant Family of Solanaceae (SOL2022)　2022年11月1日
ミトコンドリアゲノム解析およびゲノム編集によるトマト細胞質雄性不稔遺伝子の同定

桑原康介, 有村慎一, 白澤健太, 有泉亨

植物インフォマティクス研究会・年会 (第5回)　2022年10月18日
Identification of causative gene for cytoplasmic male sterility in tomato 招待有り

Kosuke Kuwabara, Shin-ichi Arimura, Kenta Shirasawa, Tohru Ariizumi

Japan Solanaceae Consortium Symposium (JSOL2022)　2022年10月9日
細胞質雄性不稔性トマトにおける花粉内部 Ca2+イメージング

桑原康介, 有泉亨

日本育種学会 (第142回講演会)　2022年9月24日
ミトコンドリアゲノム編集によるトマト細胞質雄性不稔性原因遺伝子の同定

桑原康介, 有村慎一, 白澤健太, 有泉亨

日本植物バイオテクノロジー学会 (第39回)　2022年9月13日
新規ミトコンドリア遺伝子orf137はトマト細胞質雄性不稔性を引き起こす

桑原康介, 有村慎一, 白澤健太, 有泉亨

日本育種学会 (第141回講演会)　2022年3月21日
Characterization of cytoplasmic male sterile tomato to elucidate male sterile mechanism

Kosuke Kuwabara, Issei Harada, Yuma Matsuzawa, Shinji Iioka, Kenta Shirasawa, Tohru Ariizumi

Japan Solanaceae Consortium (17th JSOL 2021)　2021年11月26日
細胞質雄性不稔性トマトは花粉発芽時特異的に形態異常を示す

桑原康介, 原田壱成, 松澤佑馬, 飯岡真司, 白澤健太, 有泉亨

日本育種学会 (第139回講演会)　2021年3月20日
非対称細胞融合により創出されたトマトのオルガネラゲノムの構造解析

白澤健太, 桑原康介, 原田壱成, 武井瞳, 壹岐友里恵, Vann Sockmea, 松澤佑馬, 飯岡真司, 有泉亨

日本育種学会
野生種トマトS.pimpinellifolium とS.lycopersicum var. cerasiformeのゲノムアセンブリ

武井瞳, 白澤健太, 桑原康介, 松澤佑馬, 飯岡真司, 有泉亨

The 16th Japanese Solanaceae Conference (JSOL2019)
Attempt of S. pimpinellifolium reference genome construction by de novo assembly

Hitomi Takei, Kenta Shirasawa, Kosuke Kuwabara, Yuma Matsuzawa, Shinji Iioka, Tohru Ariizumi

The XVI Solanaceae Conference (SOL 2019)
一過的発現によるイネリパーゼ遺伝子のぬか層特異的シス配列の探索―こめ油増産を目指した育種基盤整備―

浦川めぐみ, 桑原康介, 鳥山欽哉, 伊藤幸博

第19回東北育種研究集会　2024年11月30日
組織別トランスクリプトーム解析による、イネのぬか特異的な遺伝子発現を誘導するcis-elementの探索

桑原康介, 浦川めぐみ, 伊藤幸博, 鳥山欽哉

第19回東北育種研究集会　2024年11月30日

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産業財産権 4

細胞質雄性不稔性遺伝子、雄性不稔性植物及びその種子

有泉亨, 桑原康介, 中嶋梨花

産業財産権の種類: 特許権
ナス科の雄性稔性回復植物、ナス科植物の雄性稔性回復方法、ナス科の雄性稔性回復植物の製造方法及びナス科植物の雄性稔性回復判別方法

有泉亨, 桑原康介, 眞下星来, 壹岐友里恵, 武井瞳, 原田壱成, 江面健太郎, 白澤健太

産業財産権の種類: 特許権
ナス科の雄性稔性回復植物、ナス科植物の雄性稔性回復方法、ナス科の雄性稔性回復植物の製造方法及びナス科植物の雄性稔性回復判別方法

有泉亨, 桑原康介, ヴァンボストラエテンアレクシスガエタン, 白澤健太

産業財産権の種類: 特許権
細胞質雄性不稔性遺伝子、雄性不稔回復植物、ナス科植物の細胞質雄性不稔の稔性を回復する方法、雄性不稔回復植物の製造方法、雄性不稔性植物、及び雄性不稔性植物の製造方法

有泉亨, 桑原康介, 白澤健太, 有村慎一

特許2023-32890

産業財産権の種類: 特許権

共同研究・競争的資金等の研究課題 4

葯が欠損する細胞質雄性不稔性トマトの機構解明と実用化に向けた基盤構築

桑原康介

2025年4月1日～ 2028年3月31日
RNAプルダウンアッセイを活用した、育種に重要な稔性回復遺伝子の探索手法の確立と応用

桑原康介

2025年4月～ 2026年2月
細胞質雄性不稔性トマトの雄性不稔化と稔性回復の分子機構解明

桑原康介

提供機関：Japan Society for the Promotion of Science

制度名：Grants-in-Aid for Scientific Research

研究種目：Grant-in-Aid for JSPS Fellows

研究機関：University of Tsukuba

2023年3月8日～ 2024年3月31日

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トマト細胞質雄性不稔性(Cytoplasmic Male Sterility; CMS)の原因遺伝子orf137による雄性不稔化メカニズムの解明に向けて、複数の花粉発達ステージのトランスクリプトーム解析を実施した。その結果、orf137はミトコンドリアから核に向けてカルシウムシグナル伝達を誘導していることが示唆された。このシグナル伝達を介して花粉発芽に強く関連する核遺伝子群の発現変動を誘導し、雄性不稔性を引き起こすことが予想される。また、トマトCMS系統の稔性回復を誘導できる稔性回復(Restorer of Fertility; RF)遺伝子はトマト近縁野生種が保有している。RF遺伝子候補として9 個の遺伝子を特定していたが、遺伝子検証の結果、いずれの候補遺伝子もCMS系統の稔性回復を誘導しないことが判明し、近縁野生種が保有するRF遺伝子の特定には至らなかった。一方で、突然変異育種により人工的に新規のトマトRF系統を13系統開発することに成功した。最も強い稔性回復を誘導できるトマトRF系統およびトマトCMS系統を用いてF1品種を作出した結果、F1品種における果実収量は従来のF1品種と同等であることがわかり、今回開発したRF系統の実用性を示すことができた。さらに、遺伝子同定の手法であるBulked Segregant Analysisを用いることで、人工的に開発したトマトRF系統において5つのRF遺伝子を特定した。CMS系統において、ゲノム編集技術を用いて5つの遺伝子をそれぞれノックアウトした結果、いずれの変異体においても稔性回復が誘導された。したがって、特定した5つの遺伝子はいずれもトマトCMS系統に対するRF遺伝子であると判断できる。以上の結果は、トマトF1採種の効率化に貢献する成果であるともに、CMS原因遺伝子による雄性不稔化メカニズムの解明にも貢献する成果となる。
細胞質雄性不稔性トマトの雄性不稔化と稔性回復の分子機構解明

桑原康介

提供機関：Japan Society for the Promotion of Science

制度名：Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for JSPS Fellows

研究種目：Grant-in-Aid for JSPS Fellows

研究機関：University of Tsukuba

2021年4月～ 2024年3月

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トマト細胞質雄性不稔（CMS）を引き起こすCMS原因遺伝子を探索するため、トマト稔性系統とトマトCMS系統のミトコンドリアゲノムを構築・比較し、CMS原因遺伝子候補を絞り込むことに成功した（Kuwabara et al., 2021 Hort. Res.）。さらに、CMS原因遺伝子候補をミトコンドリアゲノム編集技術を用いて破壊した際に、稔性花粉が形成されたことから、ミトコンドリア遺伝子orf137をトマトCMS原因遺伝子として同定することに成功した（Kuwabara et al., 2022 Plant Physiol.）。トマトCMS系統の花粉は正常に発達できるが、発芽することができない。CMS原因遺伝子orf137がどのように花粉発芽を阻害しているかを明らかにするために、RNA-Seqを用いて網羅的遺伝子発現解析を実施した。その結果、トマトCMS系統の花粉で発現量が変動し、花粉発芽に重要であることが知られている核遺伝子を複数検出することに成功した。トマトCMS系統の稔性を回復させる稔性回復遺伝子はトマト稔性回復系統（Solanum pimpinellifolium と S. lycopersicum var. cerasiforme）の核ゲノム上に存在する。稔性回復遺伝子候補として特定していた1つの遺伝子をトマトCMS系統に遺伝子導入したが、稔性は回復せず、真の稔性回復遺伝子ではないことがわかった。しかし、近傍領域にはトマト稔性回復系統とトマトCMS系統の間で塩基配列に差異が見られる遺伝子を9個発見できており、花粉発芽に重要であることが知られている遺伝子も含まれている。これらの遺伝子をトマトCMS系統に導入して稔性回復を調査している。