渡り経路の多様性をもたらした歴史的偶然性の解明：日本の渡り鳥に着目して

Research Project

Project/Area Number	22K20670
Research Category	Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	0703:Biology at organismal to population levels and anthropology, and related fields
Research Institution	Forest Research and Management Organization
Principal Investigator	青木大輔国立研究開発法人森林研究・整備機構, 森林総合研究所, 任期付研究員 (80963818)
Project Period (FY)	2022-08-31 – 2024-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000) Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000) Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords	歴史的偶然性 / 適応進化 / 自然選択 / 鳥類の渡り / バイオロギング / 集団ゲノミクス / 渡り鳥
Outline of Research at the Start	鳥類が種ごとに渡り経路を多様化させた進化的プロセスは未解明である。本研究は、渡り経路が種の祖先の生息地を通るように制約されている可能性、「歴史的偶然性」を考慮し、この課題を解決することを目的とする。祖先の生息地は、種分布モデルに、全ゲノム解読による過去の集団サイズの推定を組み合わせて復元する。復元した祖先の生息地に制約された渡り経路をシミュレーションで予測し、実際の渡り鳥の渡り経路を再現できたかどうかを評価する。これにより、歴史的偶然性が渡り経路の多様化に果たした役割を明らかにする。
Outline of Annual Research Achievements	本研究では、日本の渡り鳥をモデルに、渡り経路が種間で多様に進化した背景に、現在の環境への適応だけでなく、種ごとの進化の歴史の影響（歴史的偶然性）の影響が重要だったことを解明することである。当該年度では、①最先端の遺伝子解析である集団ゲノミクス手法を実施するための実験・解析環境を立ち上げること、②集団ゲノミクスによって進化の歴史を復元する方法を確立すること、③環境への適応のみ、もしくは環境への適応と復元した歴史どちらも、を考慮して渡り経路をシミュレーションする方法を確立することであった。 ①については、当研究所で集団ゲノミクスのための遺伝子実験手法（全ゲノムリシーケンス法）を確立した。さらに、これから得られる大量遺伝子配列データを処理するための解析技術（バイオインフォマティクス）を習得し、これを可能とする解析環境を立ち上げることに成功した。 ②については、①で立ち上げたバイオインフォマティクス手法を用いて、過去の集団サイズや遺伝的多様性を推定した。さらにこれに、種分布モデルを組み合わせて過去に生息していた分布域を復元する手法を確立できた。 ③については、統計シミュレーションを行うための解析スクリプトを作成し、渡り経路が環境適応のみで進化した場合と、環境適応と歴史的偶然性の影響どちらもあった場合に生じる進化とを予測する手法を確立した。予備解析を行った結果、環境適応だけでなく、歴史的偶然性（すなわち、過去の歴史的分布）を考慮した場合により現在の渡りが再現できることを一部の種で確認した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本年度は、着任直後の研究室で実験・解析を開始するため、研究手法の立ち上げや確立が非常に重要であった。特に本研究の中核を担う全ゲノムリシーケンスは、適切な実験手法を確立、及び得られた大量データを複雑なソフトの組み合わせで解析するためのプログラミング技術とそれを実行するための解析環境の確立は、本研究の実行可能性に大きく影響する。本年度は、分子実験に必要な試薬の検討から、DNA処理のための条件設定、一通りの分子実験を行うプロトコルを確立できた。また、バイオインフォマティクスについては、Windows上にLinuxを操作するための環境を立ち上げ、そこで複雑なソフトウェアが相互干渉しないように制御しながら、コーディングで解析を進められる分析環境も整えることができた。これらの成果から、実際に進化の歴史を復元することができ、さらにそれを用いてシミュレーションに取り入れるための手法の開発にまで繋げることができた。今後はこれらの実験・手法を対象種各種に応用することが求められ、これが最終的な研究目的となるため、「概ね順調に進展している」とした。
Strategy for Future Research Activity	令和五年度は、前年度にすでに確立した実験手法・解析手法を、研究対象予定だった渡り鳥複数種に拡張することである。具体的には、不足している遺伝子試料を自身の調査、他研究所・博物館との共同研究などで収集し、これらのDNA抽出から全ゲノムリシーケンスまで行う。得られたデータは、確立したバイオインフォマティクス環境で解析し、渡り鳥各種の進化の歴史を多面的に復元する。一方、これらの種の渡り経路は別途先行文献や、自身の研究から入手し、適切な処理を行う。確立したシミュレーション技法を用いて、環境適応のみ、歴史的偶然性と環境適応の複合的効果の元、それぞれで渡り経路をシミュレーションし、実際の渡り経路がどちらに近いかを統計的に検定する。