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倍加半数体（DH）とは、半数体細胞が染色体倍加を起こして形成される遺伝子型のことである。倍加半数体の人工的な作出は、植物育種において重要である。
半数体細胞は花粉や卵細胞、あるいは配偶体の他の細胞から生成され、その後、誘導または自然発生的な染色体倍加によって倍加半数体細胞が生成され、これを育てて倍加半数体植物にすることができます。元の植物が二倍体であった場合、半数体細胞は一倍体であり、倍加半数体には倍加一倍体という用語が用いられることがあります。四倍体または六倍体から派生した半数体生物は、二倍体半数体と呼ばれることもあります（そして、倍加二倍体半数体は、それぞれ四倍体または六倍体です）。
従来の近親交配法では、ほぼ完全なホモ接合性を達成するのに6世代かかるのに対し、倍加半数体では1世代で達成できる。[ 1 ]四倍体作物から派生した二倍体半数体植物は、作物の二倍体野生近縁種を含む育種プログラムにとって重要となる可能性がある。
半数体植物の最初の報告は、Blakesleeら(1922)がDatura stramoniumで発表した。その後、他の多くの種でも半数体が報告された。Guha と Maheshwari (1964) は、実験室で半数体を生産するための葯培養技術を開発した。広範囲交配による半数体生産は、オオムギ(Kasha と Kao、1970) とタバコ(Burkら、1979) で報告されている。タバコ、ナタネ、オオムギは、倍加半数体生産に最も反応しやすい種である。倍加半数体法は現在、250 種以上に適用されている。[ 2 ]
倍加半数体は、生体内または試験管内で生産できます。半数体胚は、単為生殖、偽受精、または広範囲交配後の染色体除去によって生体内で生産されます。半数体胚は救出され、培養され、染色体倍加によって倍加半数体が生成されます。試験管内法には、雌性発生（子房および花の培養）および雄性発生（葯および小胞子の培養）が含まれます。[ 3 ]雄性発生が好ましい方法です。半数体を生成するもう1つの方法は、広範囲交配です。オオムギでは、近縁種であるHordeum bulbosumとの広範囲交配によって半数体を生成することができます。受精は影響を受けますが、種子発達の初期段階でH. bulbosumの染色体が除去され、半数体胚が残ります。タバコ（Nicotiana tabacum ）では、 Nicotiana africanaとの広範囲交配が広く使用されています。N. africanaを用いてN. tabacumを受粉させた場合、子孫の0.25～1.42%が生存し、 F1雑種または母系半数体として容易に識別できます。これらの割合は小さいように見えますが、微小な種子が大量に生成され、実生のほとんどが早期に枯死するため、比較的小さな土壌容器内でも、生存可能な雑種および半数体が相当数得られます。この異種間受粉法は、N. tabacumの種子由来半数体を生産する実用的な方法として、葯培養の代替法または補完法として利用できます。
最近では、倍加半数体生産が、半数体誘導親介在ゲノム編集（HI-Edit）と呼ばれる方法でCRISPR/Cas9ゲノム編集と組み合わされています。このアプローチでは、半数体誘導親がCas9と、もう一方の親の遺伝子を標的とするガイドRNAを持っています。編集は受精直後、誘導親の染色体が除去される前に起こり、CRISPR/Cas9トランスジーンを受け継がずに標的変異を持つ半数体の子孫が生まれます。 [ 4 ]小麦では、この戦略は、小麦とCas9およびガイドRNAを発現するトランスジェニックトウモロコシを交配することによってテストされています。小麦の病害感受性遺伝子TaHRCおよびTsn1を標的とした2023年の研究では、編集された半数体小麦植物が15～33%の頻度で回収されました。[ 5 ]編集された半数体は、機能ゲノミクスや植物育種のために、染色体倍加によってホモ接合型の倍加半数体系統を生成することができる。
DH法では、対立遺伝子Aとaのペアに対して、それぞれ2種類の遺伝子型（頻度はそれぞれ1/2 AAと1/2 aa）しか存在しないのに対し、二倍体法では、それぞれ1/4 AA、1/2 Aa、1/4 aaの3種類の遺伝子型が存在します。したがって、AAが望ましい遺伝子型である場合、この遺伝子型が得られる確率は二倍体法よりも一倍体法の方が高くなります。n個の遺伝子座が分離している場合、望ましい遺伝子型が得られる確率は、一倍体法では(1/2)n、二倍体法では(1/4)nとなります。したがって、対象となる遺伝子の数が多いほど、一倍体法の効率は高くなります。
DH法と他の従来の育種法を比較した研究が行われ、倍加半数体の採用は集団の遺伝子型の偏りをもたらさず、ランダムなDHは従来の系統法で生産された選抜系統と互換性があることが結論付けられた。[ 6 ]
経済形質のほとんどは、小さいが累積的な効果を持つ遺伝子によって制御されている。量的遺伝学における DH 集団の可能性は以前から理解されていたが、分子マーカーマップの出現により、量的形質を制御する遺伝子座の特定に DH 集団を使用する動機が生まれた。量的形質遺伝子座(QTL) の効果は小さく、環境要因の影響を強く受けるため、反復試験による正確な表現型解析が必要である。これは、倍数体半数体生物では、その真の育種性および大量生産が容易であることから可能である。DH 集団を使用して、9 種の作物で 130 の量的形質がマッピングされている。[ 7 ]合計で 56 の DH 集団が QTL 検出に使用された。[ 2 ]
戻し交配変換では、ドナー品種または関連種から受容エリート系統へ、繰り返し戻し交配を行うことで遺伝子を導入します。この手順における問題点は、各世代で目的の形質を持つ系統を識別できるかどうかです。特に、目的の形質が劣性である場合は、戻し交配のたびにヘテロ接合体としてのみ存在するため、この問題は深刻になります。分子マーカーの開発により、表現型ではなく遺伝子型（マーカー）に基づいて選択するより簡単な方法が提供されます。倍加半数性と組み合わせることで、より効果的になります。マーカー支援戻し交配変換では、受容親をドナー系統と交配し、ハイブリッド（F1）を受容親に戻し交配します。得られた世代（BC1）を戻し交配し、目的の遺伝子型が得られるまでこのプロセスを繰り返します。倍加半数性と分子マーカーの組み合わせにより、このプロセスが簡略化されます。戻し交配第1世代自体において、目的の形質を持つ遺伝子型を選択し、ホモ接合型の2倍体半数体遺伝子型に変換することができる。[ 8 ] Chenら（1994）は、BC1個体の2倍体半数体化を用いたマーカー支援戻し交配変換により、オオムギの縞さび病耐性系統を選抜した。
バルク分離分析では、ある集団を目的の形質についてスクリーニングし、両端の遺伝子型で 2 つのバルクを形成します。次に、2 つのバルクについて分子マーカーの有無を検査します。バルクは正と負の効果をもたらす対立遺伝子で対照的であるはずなので、2 つのバルク間のマーカー多型は、マーカーと目的の形質との連鎖を示します。BSA は正確な表現型に依存しており、DH 集団は純系で繰り返し検査できるという特別な利点があります。DH 集団は、マーカー支援育種で一般的な方法であるバルク分離分析でよく使用されます。[ 9 ]この方法は主に菜種と大麦に適用されています。
遺伝子地図は、進化のパターンや種間のシンテニー関係を推測できるゲノムの構造と組織を理解する上で非常に重要です。遺伝子地図はまた、関心のある遺伝子のマッピングやその効果の大きさを推定するための枠組みを提供し、遺伝子型と表現型の関連性の理解を助けます。DH集団は、DHが容易に入手できる種では遺伝子マッピングの標準的なリソースとなっています。倍加半数体集団は遺伝子マッピングに理想的です。種に関係なく、最初の交配から2年以内に遺伝子地図を作成することが可能です。2つのホモ接合体の親の雑種から得られたDH集団を使用すると、予想される分離比が単純、つまり1:1であるため、地図の構築は比較的容易です。DH集団は現在、オオムギ、ナタネ、イネ、コムギ、およびトウガラシの遺伝子地図を作成するために使用されています。DH集団は、8つの作物種で分子マーカー地図の作成を促進する上で重要な役割を果たしました。[ 2 ]
遺伝子比と突然変異率は、半数体集団から直接読み取ることができます。小さな倍加半数体（DH）集団を使用して、オオムギの矮性遺伝子が染色体5Hに位置することが実証されました。[ 10 ]別の研究では、オオムギにおけるさまざまなマーカーの分離が分析されています。[ 11 ]
QTL解析によって遺伝子の位置や多くの形質への影響の大きさに関する膨大な情報が得られているにもかかわらず、関与する遺伝子の特定は依然として困難である。これはQTL解析の解像度が低いためである。この問題の解決策は、組換え染色体置換系統[ 12 ]、または段階的に整列した組換え近交系[ 13 ]の作出である。ここでは、望ましいレベルの組換えが起こるまで戻し交配が行われ、遺伝子マーカーを使用して、倍加半数体化によって固定できる標的領域の目的の組換え染色体置換系統を検出する[ 14 ] 。イネでは、 DH集団から作成された地図において、分子マーカーがイネいもち病、細菌性葉枯病、および葉鞘枯病に対する抵抗性の主要遺伝子およびQTLと連鎖していることがわかっている[ 15 ] 。
従来の育種法は時間がかかり、品種開発に10～15年を要します。また、ヘテロ接合性のため、初期世代の選抜効率が低いという欠点もあります。これらの2つの欠点は、DH（半数体交配）を用いることで克服でき、より優れた交配種をより短期間で評価・選抜することが可能になります。
均一性は、ほとんどの種において栽培系統の一般的な要件であり、DH生産によって容易に達成できます。[ 16 ] DHは、栽培品種の生産においてさまざまな方法で使用できます。DH系統自体を栽培品種としてリリースしたり、ハイブリッド栽培品種の生産における親として使用したり、より間接的に育種系統の作成や遺伝資源の保存に使用したりできます。オオムギには、100を超える直接DH栽培品種があります。[ 8 ]公表されている情報によると、現在、世界中で12種に約300のDH由来栽培品種があります。
25種の植物に対するプロトコルの開発により、近年、植物育種におけるDHの重要性が著しく高まっている。[ 2 ]倍加半数体はすでに野菜のハイブリッド品種生産において重要な役割を果たしており、観賞用植物生産の可能性も精力的に検討されている。薬用ハーブであるValeriana officinalisにおいても、薬理活性の高い系統を選抜するためにDHが開発されている。また、自家不和合性システムを持つ種において、稔性のあるホモ接合型DH系統を生産できるという興味深い進展もある。[ 17 ]
1回の組換えでホモ接合系統を作出できる能力は、植物育種家にとって多くの時間を節約します。研究によると、ランダムなDHは、系統近交で選抜された系統に匹敵すると結論付けられています。[ 18 ]その他の利点としては、多数のホモ接合系統の開発、効率的な遺伝子解析、および有用形質のマーカーの開発がはるかに短い時間で行えることが挙げられます。より具体的な利点としては、観賞植物では栄養繁殖の代替として種子繁殖が可能になること、また、長いライフサイクルと近交弱勢により従来の育種方法が適用できない樹木などの種では、倍加半数性が新たな代替手段を提供することが挙げられます。
DH集団の主な欠点は、選抜を強制できないことである。しかし、従来の育種では、数世代にわたって選抜を行うことができるため、集団内の望ましい形質を向上させることができる。
葯培養から得られた半数体では、異数体と半数体・二倍体混合型が混在することが観察されている。倍数体化に伴うもう一つの欠点は、組織培養および生育施設の設立にかかるコストである。倍数体化を過剰に使用すると、育種用遺伝資源の遺伝的多様性が低下する可能性がある。したがって、育種プログラムに倍数体化を導入する前に、いくつかの要因を考慮する必要がある。
技術の進歩により、現在ではほとんどの植物属で二倍体半数体化（DH）プロトコルが利用可能となっている。わずか数十年で、二倍体半数体化が可能な種の数は驚異的な250種に達した。また、処理が困難な種が徐々に除外されるにつれて、応答効率も向上している。したがって、植物育種の効率は大幅に向上するだろう。