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本頁は農業教育学会誌に掲載.図表省略.

D N A マーカーを利用した南アルプスの絶滅危惧植物タカネビランジ( Sileneakaisi alpina) における鳳凰三山と北岳産個体の識別とその教材化

亀井忠文・LyTong・吉田智彦.農業教育学会誌.
要旨
南アルプスの鳳凰三山( 地蔵ケ岳・観音岳・薬師岳) および北岳の各
山塊に自生する絶滅危惧植物タカネビランジ(Sileneakaisi alpina ) 計3 8個体
について, 分析とクラスター分析により個体識別を試みた. 1 2 種類
のプライマーで多型が検出された. このうち, プライマーにおい
て, 北岳産個体( シロバナタカネビランジ) すべて
に約1 0 0 0 の特異的なバンドが検出された. このバンドは鳳凰三山産
系個体では欠失し, タカネビランジの種内分類群, すなわちカネビラン
ジとシロバナタカネビランジを識
別するD A N 識別マーカーとして有効であると考えられた. 鳳凰三山系
個体と北岳の個体の遺伝的距離および同一マーカー数の調査結果から,
観音岳の個体の遺伝的多様性が最も高かった. 薬師岳および北岳の個体
の遺伝的ばらつきは低かった. 地蔵ケ岳産個体が北岳産個体と最も隔た
りがあり次いで観音岳であった. 薬師岳と北岳の個体間の遺伝的距離は
比較的近いことが分かった.
クラスター分析の結果, 4 つの山塊のタカネビランジは, クラスター
T ( 鳳凰系1 ), とクラスターU ( 鳳凰系2 ・北岳系) に分かれた. そ
してクラスターU の下位のクラスターU - 2( 北岳系) にD の個体がすべ
てまとまった.
実験結果をもとに, 科目「課題研究」における実験系の教材化( 学習
指導計画) を試みた。また, 実験系についてアンケート調査し理解度を
測定した。
キーワード: D N A マーカー, タカネビランジ, 個体群識別, S S R
分析, 絶滅危惧植物, 教材化

緒言
タカネビランジは,南アルプスに自生する高山植物で,ナデシコ科( C
a r y o p h y l l a c e a e ) マンテマ属( S i l e n e L . ) に分類されている. 本種に
は従来S . k e i s k e i M i q . v a r . a k a i s i a l p i n a ( T . Y a m a z a k i ) O h w i e t H . O h
a s h i の学名があてられてきた2 1 ) .しかし, 最近O h a s h i ら2 0 )は, 本種の花
弁の爪部頂端に耳状突起があるなど, ビランジ( S . k e i s k e i ) との形態
的相違点をいくつか示し, これを独立種( T . Y a m a z a k i ) H . O h
a s h i , T a t e i s h i e t H . N a k a i とした( 第1 図A ). 北岳を含む白根三山
など, 南アルプス中南部には花色が白色や淡紅色のものがあり, シロバ
ナタカネビランジf . l e u c a n t h a ( T a k e d a ) H . O h a s h i , T a t e i s h i e t H . N a
k a i として厳密には区別する2 0 )( 第1 図B ) . 本種は「山梨県レッドデ
ータブック」3 0 )で絶滅危惧T B 類にランクされ, 山梨県希少野生動植物
種の保護に関する条例( 以下「県条例」) 3 1 )において「指定希少野生動
植物種」( 計2 2 種) 並びに「特定希少野生動植物種」( 計1 8 種) に指定
された. 指定理由は, 本種が「県内の生育地が少なく, 生育環境の変化
により絶滅の危険性が高いことから特に保護を図る必要」があり( 指定
希少野生動植物種指定理由), さらに「園芸目的の採取等のおそれのあ
る種であり, 個体の譲り渡しを監視する必要がある」( 特定希少野生動
植物種指定理由) としている3 2 ) .

著者らは, 本種の保全や増殖に関する研究を進め, その大量増殖法や
年間を通じての実生獲得法, 栽培方法等を確立し, 本種が雄性先熟する
他殖性植物であることも明らかにした9 , 1 0 ) . さらに地域の環境教育( 自
然保護) の見地から, これら植物の農業高等学校における教材化を進め
ている. 特にタカネビランジは, 園芸植物のように花が大きく可憐で,
平地( 甲府盆地) においては花期が半年にも及び, 花色・花形に相当な
変異があるなどの特性を有することから, 著者らは本種の育種的可能性
はきわめて高いと判断している9 ) . すなわち, 鑑賞価値の高い個体を選
抜し, 将来流通にのせることにより, 本当に保護しなければならない野
生個体の盗掘抑止力につながると考え, 園芸品種作出を目指している.
そして, 本種の育種を行う前提として, 各々の山塊に自生する個体に
遺伝的多様性がどの程度あるのか, など合理的な識別方法の確立が必要
になると考える.

近年, 分子生物学の急速な進展により, 栽培植物では, D N A マーカ
ーを利用した品種分類・育種等が盛んに行われるようになった4 , 1 9 , 2 3 , 2 6 ) .
野生植物では, 我が国の高山植物のいくつかの分類群についての葉緑体
D N A をマーカーとした分子系統地理学的解析5 - 8 ), 島根県とその近県
のササユリのR A P D 分析3 ), 白神山地のブナ個体識別D N A マーカー
の開発1 ), 絶滅危惧植物ではサクラソウのマイクロサテライトマーカー
の開発1 3 )やミズキンバイのR A P D 分析2 5 )などが見られる.
さて, 著者らは今回タカネビランジの育種のための基礎資料を得るこ
とを目的として, 南アルプスの各山塊( 鳳凰三山の各山および北岳) 由
来のタカネビランジ野生個体のS S R ( S i m p l e S e q u e n c e R e p e a t ) 分析
を試み, 多型を検出しデータをもとにクラスター分析による個体識別を
試みた. マンテマ属( S i l e n e L . ) 植物のD N A 解析の例は見あたらな
い.

なお, 今回行った絶滅危惧植物タカネビランジのS S R 分析とその結
果に基づいて, その概念を理解させるため, 科目「課題研究」において
実験系の教材化( 学習指導計画) を試みた。また, 実験系についてアン
ケート調査し理解度を測定した。

材料および方法
1 . 材料の採取と試料の調整
環境省および山梨県の許可を得て,山梨県域の南アルプス鳳凰三山( 地
蔵ケ岳・観音岳・薬師岳; 2 0 0 1 年8 月および2 0 0 7 年7 月)並びに北岳( 2
0 0 4 年9 月および2 0 0 8 年8 月) 山頂付近において, 各々認可の規程数量
範囲内で採取した個体または採取した種子から得た個体の若い展開葉を
供試した. 試料( 葉) は個体ごとにポリエチレン袋に封入し冷凍して実
験室( 宇都宮大学農学部ゲノミクス研究棟) に持ち込み実験に供した.
実験には, 鳳凰三山の地蔵ケ岳産( 記号: A ) 9 個体・観音岳産( 同
: B ) 9 個体・薬師岳産( 同: C ) 1 0個体および北岳産( 同: D ) 1 0個
体の各山塊由来の計3 8個体を用いた. 試料の由来等は第1 表および第2
図のとおりである. なお, 第1 表中D 1 〜 1 0 が分類学上シロバナタカネ
ビランジとよばれるものである.

2 . D N A の抽出とP C R
ナデシコ科植物のD N A マーカーに関しては, カーネーションの報告
があるが1 2 , 2 2 , 2 7 , 2 8 ) , タカネビランジを含むマンテマ属( . ) やそ
の近縁植物のものは見あたらない. そこで, この実験では宇キ宮大学農
学部作物栽培学研究室保有のイネ並びにソルガム識別用のプライマー4
2 種類( イネ3 3 種類とソルガム9 種類) を用いて予備実験し, この中か
ら1 2 種類のプライマーを選んで解析を行った2 )( 第2 表) . 実験方法等
は主に小林・吉田1 5 )のユウガオの品種分類を参考にした.
まず, 各試料をそれぞれ0 . 1 g 秤量しD N A 抽出に用いた. 抽出試薬
は( 社製) を用いた. 抽出したD N A 試料を原子吸光度計( 社
製) で定量し, 1 / 1 0 バッファーを加え1 0 n g / μ l になるよう調整し
た.

P C R 反応には, ( 東洋紡績株式会社製) を試薬に用いた.
反応液は1 試料あたり, M i l i Q 1 4 μ l , 1 0× バッファー2 μ l, 2 m M
2 μ l , 各プライマー( 1 0 0 μ m ) 0 . 4 μ l , 2 . 5 / μ l の
酵素0 . 2 μ l , 約1 0 n g / μ l テンプレートD N A ( 試料の鋳型D N A ) 1
μ l の計2 0 μ lに調整した. P C R 装置( ;
社製) に試料2 0 μ l をセットし反応させた. 反応温度条件はD
N A 熱変性9 4℃ 3 0秒, アニーリング5 5℃ 2 秒, 伸長反応7 4 ℃ 1 5秒とし,
これを3 0 サイクル行いD N A を増幅させた. 次に得られたP C R 産物の
電気泳動を行った. 1 0 % アクリルアミドのゲルを調整し, 電気泳動槽
( ; 製) に流し込んだ. 分子量マーカーとして5 0 b
p D N A ( 社製) を, 色素として6 ×
( 製) を用いた. 泳動槽の各ウェルに試料5 μ lと色素
1 μ l を混合して注入し泳動を行った. 電流・電圧は2 0 m A , 1 0 0 V
とした. 泳動を終えたゲルを1 μ l / m l エチジウムブロマイト溶液で1 0
〜 1 5分間染色し, 水で5 分間脱色した. 脱色したゲルをスキャンし( 機
器: 1 0 0 0 , プログラム: - 1 0 0 0 ; いずれも社製), 写
真データを出力してD N A バンドを確認した.

3 . 遺伝的距離とクラスター分析
小林・吉田1 4 )が麦類の品種分類で行った方法で遺伝的距離の計算やク
ラスター分析を行った. ここで, S S R 分析で検出したD N A 多型のデ
ータは, P C R 増幅産物が明瞭に現れた場合を“ 1 ”, 無いまたは明瞭
に現れない場合を“ 0 ” とした. プライマー1 つにつき1 つのバンドを
対象とした.この値をもとにして,まず両者の関係を簡単に示すために,
ある個体と他の個体で同じく現れたD N A マーカーの数( 以後同一マー
カー数と呼ぶ) をすべての個体相互間で計算した. 次に, 個体間の遺伝
的背景を把握するため根井1 8 )の遺伝的距離D を計算した. ただし, ここ
ではD N A バンドのある, なしを最も単純な遺伝, つまり遺伝子座が2
つの対立遺伝子数からなると想定した. この2 つの計算は, 吉田の
( ) 内のユーティリティーを使用した.

さらに, クラスター分析のためにこの1 , 0 からなる全データをそのま
ま青木によるプログラム( ) に入
力し, 正規化せずユークリッド距離を求め, 群平均法( UPGMA) によっ
て個体間の距離をデンドログラムにより視覚化した.

4 . 教材化
教科「農業」の教科書2 4 )では, P C R の原理などD N A 解析が詳細に
取り上げられている。そこで, その概念を理解させるために, 今回行っ
た絶滅危惧植物タカネビランジのS S R 分析とその結果に基づいて, そ
の教材化について考えた。まず, 科目「課題研究」において, 夏季休業
中の集中実験による実施計画をシミュレーションした。また, タカネビ
ランジD N A マーカーによる識別やクラスター分析の結果等について,
特別活動( クラブ活動) の植物研究部員等1 5人に解説し, その意味を理
解程度を測定するため簡単なアンケートを実施した。

結果および考察
1 2 種類のプライマーでD N A 多型が検出された( 第3 表) . このう
ち, は鳳凰三山( A ・B ・C ) および北岳( D ) の4 山塊の各個
体内にD N A 多型が検出された. および
で地蔵ケ岳( A )・観音岳( B ) の2 山塊の個体の中からまた
では薬師岳( C )・北岳( D ) の2 山塊の個体の中から変異が検
出された. では地蔵ケ岳( A ) の個体のみに, では北岳( D )
の個体のみに変異が検出された. では地蔵ケ岳( A ) の個体内に
変異が見られたが他の山塊( B ・C ・D )すべてでバンドが検出された.
また, では4 山塊のうちA 〜 C 即ち鳳凰三山系の個体( 地蔵ケ岳
・観音岳・薬師岳) ではまったく現れず, D ( 北岳) の個体にのみ特異
的な約1 0 0 0 のD N A バンドが現れた( 第3 図) . は北岳産個
体つまりシロバナタカネビランジ( ) と狭義のタカ
ネビランジ( ) を識別するD N A マーカーとして利用できる
ものと考えられた. なお, 鳳凰三山各山塊の間( A ・B ・C 間) の個体
をそれぞれ明確に識別する明瞭なマーカーは見つからなかった.
第4 表に遺伝的距離D と同一マーカー数の計算結果を示した. また第
5 表にはそれらの各山塊ごとの平均値を掲げた. まず各山塊個体群内の
遺伝的距離D の平均値は, A 個体間で0 . 5 8 , B 個体間で0 . 2 5, C 個体間
で0 . 0 5 , D 個体間で0 . 1 2 であった. 各山塊間では, A − B 間で0 . 4 7, A
− C 間で0 . 4 9 , A − D 間で0 . 7 2, B − C 間で0 . 2 0 , B − D 間で0 . 3 5, C
− D 間で0 . 2 0 であった. また, 鳳凰三山系( A 〜 C ) と北岳( D ) の個
体間では0 . 4 2 であった. 各山塊ごとの個体間の数値の比較では, 地蔵ヶ
岳( A ) の個体は遺伝的ばらつきが最も大きく, 薬師岳( C ) が最も少
なかった. 北岳( D ) の数値もC に次いで低かった. また山塊間の数値
の比較では, A − D 間で最も遺伝的距離が大きいことが分かった. 次い
でA − C 間, A − B 間が続き, B − C 間は最も数値が小さかった. 次に
鳳凰三山各山塊( A 〜 C ) と北岳( D ) の遺伝的距離を見ると, C − D
間の数値( 0 . 2 0 ) は, A − D , B − D に比べ小さく, B − C 間と同じで
あった.

次に同一マーカー数の平均値は, A 個体間で7 . 3 9 , B 個体間で9 . 6 1 ,
C 個体間で1 1 . 4 4, D 個体間で1 0 . 7 1 であった. 各山塊間では, A − B 間
で8 . 1 6 , A − C 間で8 . 2 6 , A − D 間で6 . 8 9 , B − C 間で1 0 . 1 4 , B − D
間で8 . 7 8 , C − D 間で9 . 9 2であった. また, 鳳凰三山系( A 〜 C ) と北
岳( D ) の個体間では8 . 5 3であった. 各山塊ごとの個体間の数値の比較
では, 薬師岳( C ) の個体が最も数値が大きく, 北岳( D ) がこれに次
いだ. この2 つの山塊のそれぞれの個体は遺伝的多様性が比較的低いこ
とが分かった. 地蔵ヶ岳( A ) は最も低い数値であった. また山塊間の
数値の比較では, B − C 間が最も数値が大きく, 次いでC − D 間, A −
C 間が続き,A − B 間は最も数値が小さかった. 次に鳳凰三山各山塊( A
〜 C ) と北岳( D ) のマーカー数を見ると, C − D 間の数値( 9 . 9 2) は,
A − D , B − D に比べ大きかった.

遺伝的距離および同一マーカー数の調査結果から, 鳳凰三山の最北に
位置する地蔵ケ岳( A )の個体の遺伝的多様性が最も高く,観音岳( B ),
薬師岳( C )と南下する程多様性が低くなる傾向が認められた. しかし,
地蔵ケ岳・観音岳・薬師岳は同じ山体上( 鳳凰三山) にあるピークで,
地蔵ケ岳から薬師岳まで間は2 . 3 k m 程度の距離の間に一列に並んでお
り( 第1 図), それぞれの山頂間の距離はお互いが1 〜 1 . 5 k m 程度と
近い上に, タカネビランジは他殖性植物であることから, 花粉の混合は
常に起こっているものと考えられた. 著者らは現地の個体を多数観察し
た. 北岳の個体の花色はほぼすべて白に近い淡紅色で草姿の変異もあま
りないが, 鳳凰三山の個体の花色は白に近いものから濃桃色までさまざ
まであり, 花形・草姿の見かけ上の変異も大きい. 各山塊間では, B −
C 間は遺伝的に近いことが示唆された. また, C − D 間は, A − D , B
− D に比べ, より遺伝的関連性があることが示唆された. 薬師岳( C )
と北岳( D ) は, 野呂川( 早川) の深い渓谷を挟んでおよそ6 k mの距離
を隔てているものの,近い過去に遺伝的交流があったことが示唆された.
第4 図は1 2種類のD N A マーカーを用いたクラスター分析の結果をデ
ンドログラムに表したものである. クラスター分析の結果, 今回対象と
している4 つの山塊のタカネビランジは, A を多く含む1 群( A 1 , 5 , 7 , 1
0 およびB 1 0 の計5 個体;「クラスターT ( 鳳凰系1 )」と呼ぶ) と, A
の個体群の一部とB の個体群の大部分とC ・D の両個体群のすべての個
体を含む1 群(「クラスターU ( 鳳凰系2 ・北岳系)」と呼ぶ) の大き
く2 群に分かれた. このうちクラスターU の下位にある「クラスターU
- 1( 鳳凰系2 )」は, A の一部とB ・C の大部分( 各8 個体) を含み( A
2 〜 4 , 8 , 9 , B 1 〜 8 , C 1 , 4 〜 1 0 の計2 1 個体),「クラスターU - 2 ( 北岳系)」
は, D の個体群( 1 0 個体すべて) がまとまっていることが分かった. た
だしこのクラスターにはC の2 個体が含まれ, D との遺伝的関連性が示
唆された( C 2 , 3 , D 1 〜 1 0 の計1 2 個体) .

このうち, クラスターT ( 鳳凰系1 ) は, クラスターU ( 鳳凰系2 ・
北岳系) と大きく距離が隔たっている. これらの個体については, タカ
ネビランジの母種でより低い山地に分布するビランジ( オオビランジ;
) との関連が考えられるが, 今後精査が必要である. また,
地蔵ケ岳( A ) の個体の遺伝的多様性が高く, 薬師岳( C ) や北岳( D )
の個体が遺伝的にまとまっていることはクラスター上での個体の分散の
状況からも裏付けられた.

今後は本種の分布する南アルプスの他の山域( 甲斐駒ケ岳・仙丈ケ岳,
間ノ岳, 塩見岳など) に調査を拡大し, 各山塊の個体群の間の関連を考
察したいと考える.

教材化について述べる。この実験系の一連の流れを, すべて平常の授
業時間内に実施することは, 時間配分的, 人員的並びに施設設備的に不
可能である。すなわち, この実験系には反応処理等に長時間要する行程
があること, 平常授業では1 5〜 3 0人を対象とし1 回2 時間限りであるこ
と, 備品の十分な数量の購入・整備は不可能であること, などが実施上
の障害となることは明らかである。そこで, 著者らは, 特に興味関心の
深い者を集めて比較的少人数で指導が可能な科目「課題研究」における
実施を想定した。P C R を中心としたこの実験系における操作時間等を
分析した結果, 材料入手の容易さも考慮して夏季休業中の宿泊( 1 泊2
日) を伴う学習指導が可能であるとの結論を得た。第6 表は作成した学
習指導計画である。これはシミュレーションであるが, 近い将来条件が
整い次第実施する予定である。次にタカネビランジのD N A マーカーに
よる種内分類群の識別やデンドログラムの結果について, 実験の概要や
原理と実験データ( 第1 〜 4 図, 第1 〜 5 表) を示しながら生徒に解説
し, その意味の理解程度を測定するためアンケートを実施した。設問項
目と結果は第7 表のようだった。それによると, @ タカネビランジその
ものは既に勤務校において実際に教材化されているので各項目とも高い
正答率だった( 9 3 . 3 〜 1 0 0 % )。が理解していた。A 供試した1 2 プラー
マーの電気泳動像に現れたバンドの意味が理解できた者は4 0 . 0 % だっ
た。B 遺伝的距離D と同一マーカー数の計算結果については, その数値
の比較から個体間の近縁程度が理解できる者は5 3 . 3 % いた。C S b 6 - 3 4 2
の電気泳動像に北岳産個体特有のバンドが見えることに気がついた者は
8 0 . 0 % に達した。D クラスター分析の結果( デンドログラム), 北岳産
個体が1 つのクラスターによくまとまっていることに気づいた者は7 3 . 3
% だった。この結果から, 電気泳動像やデンドログラムのような視覚的
なデータについては比較的理解度が高いが, 遺伝的距離D や同一マーカ
ー数の計算結果のような数値データは理解度が低くなることが見て取れ
る。よって, 実際にこの実験とその解析を行う場合には, 事前に十分な
解説と学習訓練を行うことが大切であると思われた。なお今回アンケー
トを対象した植物研究部員は植物バイオに比較的関心の高い集団であ
り, 今後は一般生徒に同様な調査を広げて理解程度を正確に把握し, 学
習指導計画に反映させる必要を感じた。

今回の実験系の農業高等学校における教材化について触れておく. 教
材としての導入は実験機器・関連物品の整備状況, 学習指導計画におけ
る位置づけや時間配分, など乗り越えるべき課題が多く, すぐには困難
と思われる. しかし, 現に科目「物バイオテクノロジー」の教科書にお
いてはP C R の原理などが詳細に取り上げられていること2 4 ), 現代の農
業高校生なら誰でもやっている植物組織培養がつい2 0 年程前には農園芸
関連学会の最先端技術の1 つであったこと, などを考えるとP C R 等植
物のD N A 解析技術も, 今後優れたキットの開発が予想されることなど
と相俟って一層身近になってくるものと推察される. 今後はこの分野の
農業高校のおける教材化の可能性について, 事例1 1 , 1 6 )を参考にしながら
探っていきたい.

謝辞
本研究の遂行にあたり, 毎回材料採取に同行いただいている石川啓吾
氏( 石川生態環境計画代表), 毎日の栽培管理を行っている山梨県立山
梨園芸高等学校の生徒諸君にお礼を申しあげる.

引用文献
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・新関稔・牧田肇( 2 0 0 4) 白神山地におけるブナの個体識別D N A
マーカーの開発. 白神研究( 1 ) : 3 5 - 3 9 .
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しているササユリ( Lilllium japonicum) のR A P D 分析. 園学雑. 6 7 :
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4 ) 平井正志( 2 0 0 2 ) 野菜・花き育種におけるD N A マーカーの利用.
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5 ) 藤井紀行( 2 0 0 1) 日本の高山植物の系統地理. 分類.1 : 2 9 - 3 4 .
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7 ) 藤井紀行( 2 0 0 8 ) 日本産高山植物における本州中部地域の系統地理
学的重要性. 分類.8 : 5 - 1 4 .
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5 5 : 4 3 - 5 2 .
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よび増殖技術の開発とその教材化( 第1 報) 南アルプスにおけるマ
ンテマ属絶滅危惧植物の教材化. 日農教誌. 3 9 : 3 3 - 4 2 .
1 0 ) 亀井忠文・吉田智彦. 山梨県における絶滅危惧植物の保全および増
殖技術の開発とその教材化( 第2 報) タカネビランジの受粉様式の
解明およびタカネマンテマの組織培養による大量増殖系確立. 日農
教誌.( 投稿中)
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における酵素およびD N A 分析を用いた食用ギクの教材化. 日農教
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園学雑. 7 5 ( 別2 ) : 5 7 6 .
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2 4 ) 大澤勝次・久保田旺他編修( 2 0 0 2) 植物バイオテクノロジー( 文部
科学省検定済教科書) . p p . 2 0 0 - 2 0 2 . 農山漁村文化協会. 東京.
2 5 ) 大澤啓志・笹隈哲夫・勝野武彦( 2 0 0 6) 絶滅危惧植物ミズキンバイ
の国内における遺伝的多様性. 日緑工誌. 3 2 : 2 1 - 2 5 .
2 6) 大澤良( 2 0 0 4) 野菜育種におけるD N A マーカーの利用.園学研.
3 : 1 - 6 .
2 7 ) ( 2 0 0 0 )
2 8 ) ( 2 0 0 3 )
2 9)山本俊哉( 2 0 0 8)果樹におけるD N A マーカー利用による品種判別.
今月の農業. 5 2 : 9 2 - 9 7 .
3 0) 山梨県( 2 0 0 5) 山梨県レッドデータブック.
3 1 ) 山梨県( 2 0 0 7 ) 山梨県希少野生動植物種の保護に関する条例( 平成
1 9年山梨県条例第3 4号) .
3 2 ) 山梨県( 2 0 0 8 ) 指定希少野生動植物種, 特定希少野生動植物種の指
定の案( 山梨県告示第9 2号) .
以上