屋久島高山帯における植物の矮小化要因の解明-ヤクシカの被食回避仮説の検証

• Project/Area Number: 22KJ0154
• Project/Area Number (Other): 21J00020 (2021-2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2021-2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 45030:Biodiversity and systematics-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 高橋 大樹 東北大学, 農学研究科, 助教
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 屋久島 / 動物と植物の相互作用 / 矮小化 / 被食防衛 / ヤクシカ / 島嶼 / 矮小進化 / 元素分析 / 全ゲノム解析 / 集団動態解析

Outline of Research at the Start

屋久島の高山帯では100分類群以上の植物が普通型と比べて著しく植物体サイズが小型化している。これら矮小分類群はヤクシカの採食を回避するために進化してきた可能性がこれまでの研究より示されているが、矮小進化に関わる分子基盤はこれまで明らかになっていない。本年度はキク科アキノキリンソウの矮小型分類群、イッスンキンカを対象として全ゲノム解析やQTL解析を行うことで矮小進化の分子基盤の解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

屋久島の標高1600m以上の高標高域では、九州や四国に分布する普通型と比べて植物体サイズが著しく小型化した植物が数多くみられ、80種近くの草本植物が矮小進化したと考えられている。こうした様々な分類群における収斂進化は強い選択圧が植物体サイズに影響したことを示唆している。この矮小植物群落は1900年代初頭より着目されてきたものの、その進化要因はこれまで明らかになっていなかった。
本研究課題では草食獣であるヤクシカとの関係に着目し、屋久島の矮小植物がヤクシカからの採食を回避するために進化したという仮説を立て、この仮説の検証を行った。まず屋久島集団と九州や四国に分布する対照集団の植物体サイズの比較を40分類群で行った結果、シカの不嗜好種では植物体サイズは大きく変わらないものの、ほとんどの嗜好種では屋久島集団の植物体サイズが1/2から1/5程度まで小型化していることが明らかになった。一般化線形モデルを用いた解析より、気候条件や集団動態、土壌栄養分と比べて、シカの嗜好性が最も植物体サイズに影響していることが明らかになった。ゲノムワイドSNPsを用いて屋久島集団と対照集団の分岐年代推定を行った結果、多くの分類群は最終氷期中に対照集団から分岐したことが明らかになった。したがって矮小進化は数万年スケールで起こったと考えられる。また屋久島の高標高域でも植物体サイズに大きな変異がある植物種の体サイズを解析したところ、ヤクシカがアクセスしにくい崖などに生育する個体の植物体サイズが大きな傾向がみられた。
以上より矮小植物群は、ヤクシカの個体密度が高く他地域より隔離された屋久島において、ヤクシカの採食圧を回避するために進化したことが示唆された。
本研究成果は世界で初めて、草食獣の採食圧が群落レベルの矮小進化を引き起こしたことを示唆するものである。

Research Products

• [Journal Article] Deer grazing drove an assemblage‐level evolution of plant dwarfism in an insular system (2024)
  • Author(s): Takahashi Daiki、Suyama Yoshihisa、Fukushima Keitaro、Setoguchi Hiroaki、Sakaguchi Shota
  • Journal Title: Journal of Ecology Volume: － Issue: 6 Pages: 1383-1396
  • DOI: 10.1111/1365-2745.14309
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 東アジア地域の植物多様性に分子生態学的アプローチで迫る (2024)
  • Author(s): 高橋大樹
  • Journal Title: 植物地理・分類研究 Volume: 72
  • Open Access
• [Journal Article] Demographic history and conservation aspects of two relict shrubs (Daphnimorpha spp., Thymelaeaceae) showing disjunct and restricted distribution in the southern part of Japan (2023)
  • Author(s): Takahashi Daiki, Suyama Yoshihisa
  • Journal Title: Tree Genetics & Genomes Volume: 19 Issue: 5
  • DOI: 10.1007/s11295-023-01618-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 屋久島高標高域より発見されたオトギリソウ属未記載種 (2024)
  • Author(s): 髙橋大樹, 陶山佳久, 石川直子, 山本将也, 福田知子, 伊東拓朗, 孫田佳奈, 矢原徹一
  • Organizer: 日本植物分類学会第23回大会
• [Presentation] Evolution of endemic dwarf plants on a continental island under intense deer herbivory (2023)
  • Author(s): Takahashi Daiki、Suyama Yoshihisa, Fukushima Keitaro, Setoguchi Hiroaki, Sakaguchi Shota
  • Organizer: SIB-2023 | Island Biology 2023, Lipari, Italy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] シカが高密度で生育する島における植物の矮小進化：屋久島における事例 (2023)
  • Author(s): 髙橋大樹, 陶山佳久, 福島慶太郎, 瀬戸口浩彰, 阪口翔太.
  • Organizer: 日本生態学会第70回大会
• [Presentation] 日本列島の植物多様性に分子生態学的アプローチから迫る (2023)
  • Author(s): 髙橋大樹
  • Organizer: 日本植物分類学会第22回大会
• [Presentation] シカの採食圧が屋久島矮小植物群を生んだ？-シカの嗜好性と植物体サイズの関係 (2022)
  • Author(s): 髙橋大樹, 陶山佳久, 瀬戸口浩彰 阪口翔太
  • Organizer: 日本生態学会第70回大会
• [Presentation] 屋久島矮小植物の起源と成立要因の解明―ヤクシカによる採食圧と矮小化の関係― (2022)
  • Author(s): 髙橋大樹, 陶山佳久, 瀬戸口浩彰 阪口翔太
  • Organizer: 日本植物分類学会第21回大会