マンネングサ属種群における異質倍数体形成がもたらす環境適応メカニズムの検証

Research Project

Project/Area Number	22K15170
Research Category	Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Basic Section 45030:Biodiversity and systematics-related
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	伊東拓朗東北大学, 学術資源研究公開センター, 助教 (10827132)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000) Fiscal Year 2024: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000) Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000) Fiscal Year 2022: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Keywords	異質倍数体 / 適応進化 / 高山 / 海岸 / ベンケイソウ科
Outline of Research at the Start	倍数体形成は，植物が様々な環境へと進出し，多様化を遂げる上で大きな原動力でとされている．その中で，異質倍数体はゲノム冗長性によって環境適応性は高まる一方で，極端な環境への進出は制限されることが一般に示唆されている．しかし，自然界における異質倍数体種の環境適応機構の実証的研究はきわめて限定的である．本研究では，海岸性種と山地性種の交雑に由来する推定異質倍数体メノマンネングサとその両親種をモデルに，異質倍数体種が祖先親種よりも広域なニッチに適応する過程及びニッチ拡大の限界を規定する環境適応メカニズムについて，生態・生理学的解析及びゲノミクスを用いて検証する．
Outline of Annual Research Achievements	倍数体形成は，植物が様々な環境へと進出し，多様化を遂げる上で大きな原動力でとされている．その中で，異質倍数体はゲノム冗長性によって環境適応性は高まる一方で，極端な環境への進出は制限されることが一般に示唆されている．しかし，自然界における異質倍数体種の環境適応機構の実証的研究はきわめて限定的である．申請者はこれまで，ベンケイソウ科マンネングサ属のメノマンネングサ(海岸-山地性)が，海岸性種と山地性種の交雑に由来する推定異質倍数体であることを見出した．さらに，同種は両祖先親種よりも広域にわたる生育適地 (海岸-山地) をもつことが推定されたが，祖先親種の一部が占めている高山環境へは進出できていない．そこで本研究では，海岸性種と山地性種の交雑に由来する推定異質倍数体メノマンネングサ（以下メノ）とその両親種をモデルに，①分類学的観点からメノ種群の実体解明，②全ゲノム解析によるメノの異質倍数体形成プロセスの解明，③生態・生理学的解析による異質倍数体種のニッチ拡大・制限を規定する環境適応機構の検証という３つのサブテーマを遂行することで，異質倍数体種が祖先親種よりも広域なニッチに適応する過程及びニッチ拡大の限界を規定する環境適応メカニズムについて検証する．本年度の研究では，メノ及びその両親種について分布域を網羅した生植物及びDNA解析用の試料採取を進めた．また，メノ及び両親種について第三世代シーケンサーを用いたゲノムデータを既に得ており，現在ドラフトゲノム構築を進めている．また，MIG-seq法で得たゲノムワイドSNPを利用してメノ種群の集団遺伝構造解析を行ったところ，両親種は各分類群で遺伝的なクラスターを形成するものの，複数の系統から成立していることが明らかとなった．メノは異質倍数体起源であることが改めて示唆されたが，山地性・海岸性集団ではそれぞれ遺伝的組成が異なる可能性が示唆された．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本年度の研究では，メノ及びその両親種について，分布域を網羅した生植物及びDNA解析用の試料採取を進めた．当初よりも植物試料採取が必要な地点が多くなった関係で遅れが生じたものの，おおよそ年度内に達成することができた．採取した栽培植物を用いて，今後の生理実験のために各種各集団内で一部人工交配を行い種子の採取も同時に進めた．また，メノ及び両親種について第三世代シーケンサーを用いたゲノムデータを既に得ており，現在ドラフトゲノム構築を進めている．また，MIG-seq法で得たゲノムワイドSNPを利用してメノ種群の集団遺伝構造解析を行ったところ，両親種は各分類群で遺伝的なクラスターを形成するものの，複数の系統から成立していることが明らかとなった．メノは異質倍数体起源であることが改めて示唆されたが，山地性・海岸性集団ではそれぞれ遺伝的組成が異なる可能性が示唆され，メノの起源が単一起源ではない可能性が示唆された．なお，上記解析はサンプルの調達状況の遅れの影響を受けたため，遂行に遅れが生じてしまった．そのため，本年度行う予定であった倍数性計測について，集団遺伝解析の結果を基にして遺伝的に異なる系統を網羅するように解析を行う必要があるために，倍数性計測を行う時間的余裕がなく，次年度に持ち越すこととした．
Strategy for Future Research Activity	今後の二年間で行う研究計画としては，①集団全ゲノムリシーケンスデータの取得とデモグラフィ解析による異質倍数体形成プロセスの推定，②共通圃場栽培による，各種内系統や形態・生理特性の変異の幅を網羅的な認識，③RNA-seqを用いた環境適応性に関連する遺伝子発現量の比較を予定している．おおよそこれまでの研究計画は予定通りに達成できており，基本的な方針に変更の予定はないが，集団遺伝解析の結果から，追加でサンプリングの必要性が出てきた野生集団が見出されたため，その不足したサンプルの採取を行うことや，本年度行う予定であったメノ種群の倍数性計測をあわせて行う予定である．追加の計画分に関しては，遂行予定の解析サンプル数などを調整することで，本研究の遂行に支障が出ないように調整を予定している