何千年にもわたって、トマトは進化の過程で自然に突然変異を起こし、その後人間は好みの形質を選択してきました。現在、CRISPR ゲノム編集技術により、より正確な変更を実現できるようになりました。コールド スプリング ハーバー研究所の研究者は、自然の突然変異と CRISPR 誘発の突然変異を使用してトマト栽培の予測可能性を研究しました。彼らの結果は、進化および農業の歴史からの「背景」突然変異が、遺伝子操作された突然変異の結果に重大な影響を与える可能性があることを示唆しています。これは、新しい遺伝子変異を導入する際に、これらの背景変異を理解し、考慮する必要性を強調しています。

何万年にもわたる進化の過程で、自然の突然変異を通じてトマトが形作られてきました。人類がトマト栽培の分野に参入してから、何世紀にもわたってトマトを栽培し、好みの形質を選択してきました。現在、CRISPR ゲノム編集技術により、形質をさらに改善する新しい作物の突然変異を作成できるようになりました。しかし、自然に発生したものであっても、人工的に作られたものであっても、単独で機能する突然変異はありません。

それぞれの突然変異は、数千ものいわゆる「バックグラウンド」突然変異の海の中で機能します。これらの変化は進化と農業の歴史の産物です。たった 1 つの突然変異が、操作された突然変異の予想される結果を劇的に変える可能性があるとしたらどうなるでしょうか?

現在、コールド スプリング ハーバー研究所 (CSHL) の植物遺伝学者と計算科学者が協力して、植物育種における自然変異と CRISPR 変異の予測可能性を研究しています。これを行うために、彼らは進化の時計を戻しました。

CSHL 教授で HHMI 研究者のザカリー・リップマン氏と准教授のデビッド・マッカンドリッシュ氏は、他の 2 つの遺伝子変異の存在に応じて、さまざまな自然変異と人工変異がトマトの大きさに同様の影響を与えるかどうかを知りたいと考えていました。彼らは、CRISPR テクノロジーを使用して、SlCLV3 遺伝子に一連の変異を作成しました。 （この遺伝子の自然な突然変異は、果実の大きさを増大させることが知られています。）その後、彼らはこれらの突然変異を、SlCLV3 と連携して機能する他の遺伝子の突然変異と組み合わせました。

コールドスプリングハーバー研究所の科学者らは、果実の大きさに影響を与える自然変異と人工変異をもつトマトの系統を40本以上集めた。これらの株は、フロリダ州やニューヨーク州コールドスプリングハーバーを含むさまざまな地域で数年間栽培されました。画像クレジット: リップマン研究所/コールド スプリング ハーバー研究所

彼らは、さまざまな突然変異の組み合わせを持つ合計 46 のトマト系統を作成しました。彼らは、他の特定の変異も存在する場合、SlCLV3 変異の影響がより予測可能であることを発見しました。 1 つの遺伝子の突然変異はトマトのサイズに予測可能な変化をもたらしますが、別の遺伝子の突然変異はランダムな結果をもたらします。特に、最も有益な効果には、数千年前に出現し、トマトの栽培化の中心となった 2 つの突然変異が関係していました。

マキャンドリッシュとリップマンの新しい研究は、遺伝的予測可能性をより深く理解するのに役立つかもしれません。しかし、一つ確かなことがある。新しい作物の突然変異を導入する場合、コンテキストが重要です。リップマン氏はこう説明した。

「ゲノム編集は消費者に利益、つまり風味や栄養の向上を迅速にもたらすことができるでしょうか？答えはおそらくイエスです。問題は、それがどの程度予測可能であるかです。」

人工的突然変異と自然的突然変異のさまざまな組み合わせを持つトマトのコレクション。これらの突然変異はストロムル (または種子の袋) の数に影響を与え、結果として果実の大きさが変化します。 CSHL 生物科学部卒業生のリンジー・アギーレ氏がプロジェクトを率いています。画像クレジット: リップマン研究所/コールド スプリング ハーバー研究所

McCandlish と Lipman の研究は、バックグラウンド変異の役割を再評価する必要があることを示唆しています。 「私たちがより高度に操作された生物を作り始めるにつれ、この分野はこの問題に取り組まなければならなくなるだろう」とマッキャンドリッシュ氏は語った。 「10、20の突然変異を作り始めると、予期せぬ結果が生じる可能性が高まるかもしれません。」

進化の書はさまざまな言語で書かれていますが、その多くはまだ学習中です。植物遺伝学と計算生物学は、テキストを解読する 2 つの方法を提供します。リップマン氏とマッキャンドリッシュ氏は、彼らの共同解釈が科学の課題解決に役立つことを期待している。将来的には、これは人間が進化する社会的ニーズに合わせて作物を適応させるのにも役立つかもしれない。