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2017年02月07日
食虫植物フクロユキノシタのゲノム解読で食虫性の進化解明への糸口を開く

自然科学研究機構 基礎生物学研究所

総合研究大学院大学

大阪教育大学

金沢大学

東海大学

北海道大学

 

 通常の植物は栄養分を根から吸収しますが、食虫植物は捕虫葉で小動物を誘引・捕獲・消化・吸収しています(図1)。オーストラリア原産の食虫植物フクロユキノシタ Cephalotus follicularis(フクロユキノシタ科、カタバミ目)は、捕虫葉と、光合成に特化した平面葉の異なった2つの葉を形成します(図2)。基礎生物学研究所/総合研究大学院大学の福島健児大学院生(現日本学術振興会海外特別研究員、コロラド大学在籍)と長谷部光泰教授らを中心とした国際研究グループは、食虫植物の進化を引き起こした遺伝子の変化を明らかにすることを目指して、フクロユキノシタの約20億塩基対の核ゲノム(遺伝子の全体)の概要塩基配列を解読しました。さらに、フクロユキノシタの平面葉と捕虫葉を、培養温度の違いによって作り分けさせることに成功しました(図3)。平面葉だけを作る温度で育てたフクロユキノシタと、捕虫葉だけを作る温度で育てたフクロユキノシタを比較することで、食虫性の進化の鍵となる誘引・捕獲・消化・吸収に関わる遺伝子候補が見つかりました。

 

 また、フクロユキノシタに加え、異なる系統で食虫化した東南アジア産のヒョウタンウツボカズラ(ウツボカズラ科、ナデシコ目)、オーストラリア産のアデレーモウセンゴケ(モウセンゴケ科、ナデシコ目)、北米産のムラサキヘイシソウ(ヘイシソウ科、ツツジ目)を材料に(図4)、消化液中に分泌されるタンパク質の解析も行いました。非食虫植物との比較から、同じような酵素活性を持つ複数の遺伝子のうち、特定の遺伝子が系統の異なった食虫植物で繰り返し消化酵素として進化したことがわかりました(図5)。そして、この特定の遺伝子は耐病性遺伝子の一つだと推定されました。このことは、食虫植物に進化するには同じような遺伝子を用いて進化した、即ち、進化には限られた道筋しか無かったことがわかりました。さらに、消化酵素遺伝子はおそらく消化液の中で機能できるように互いに似たように進化していること(図6)もわかりました。

 

 今後は、食虫性に関わったと推定される遺伝子の捕虫葉での機能解析を行うことで、食虫性がどのような遺伝子がどのように変わることで進化したのかを明らかにできるようになると考えています。

 

 本研究は基礎生物学研究所/総合研究大学院大学の福島健児大学院生(現日本学術振興会海外特別研究員、コロラド大学在籍)と長谷部光泰教授、大阪教育大学の鵜澤武俊准教授、金沢大学の西山智明助教、首都大学東京、東京大学、東海大学の星良和教授、東北大学、名古屋大学、北海道大学の藤田知道教授、宮城大学、中国の北京ゲノム研究所、香港市大学、米国のコロラド大学、バッファロー大学、ネバダ大学、ベルギーのゲント大学、スペインのバルセロナ大学、デンマークのコペンハーゲン大学、カナダのオタワ大学の国際共同研究チームによる成果です。

 

 本研究成果は英国時間2017年2月6日(日本時間7日)に国際的生態学・進化学専門誌Nature Ecology and Evolution(ネイチャー・エコロジー アンド エボリューション)に掲載されます。本研究は文部科学省科学研究費補助金新学術領域研究「複合適応形質進化の遺伝子基盤解明(代表:長谷部光泰)」などの支援のもと行われました。

 

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図1 普通の植物(非食虫植物)と食虫植物の栄養分の取り方の違い

 

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図2 フクロユキノシタ Cephalotus follicularisスケールは1 cm。

 

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図3 フクロユキノシタを連続白色光照射下、25℃で培養すると捕虫葉のみ、15℃で培養すると平面葉のみを形成する。

 

 

 

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図4 消化酵素進化解析に用いた食虫植物東南アジア産のヒョウタンウツボカズラ(ウツボカズラ科、ナデシコ目)(A)、オーストラリア産のアデレーモウセンゴケ(モウセンゴケ科、ナデシコ目)(B)、北米産のムラサキヘイシソウ(ヘイシソウ科、ツツジ目)の捕虫葉 (C)。

 

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図5 植物は10以上の多糖分解酵素を持っているが、このうち、耐病性に関わる酵素の中の特定の酵素(図では多糖分解酵素5)だけが系統の異なった食虫植物で消化酵素として進化した。もともと耐病性に関わり細胞の外に分泌されていたような酵素が、消化酵素として用いられた可能性が高い。

 

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図6 非食虫植物のRNA分解酵素と較べて、フクロユキノシタとヒョウタンウツボカズラでは、紫色の部分が同じアミノ酸に変化している。違ったアミノ酸に変化している部分(水色)と酵素活性部位(黄色)も示した。酵素活性部位から離れた表面のアミノ酸が変わっていることから、消化液という特別な環境に適するために同じアミノ酸に並行的に進化したのではないかと推定できる。