Evolutionary changes in host specificity of holoparasitic plants revealed by horizontal gene transfer

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K21446
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 45:Biology at organismal to population levels and anthropology, and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Takayama Koji 京都大学, 理学研究科, 准教授 (60647478)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 吉田 聡子 奈良先端科学技術大学院大学, 研究推進機構, 特任准教授 (20450421)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2024-03-31
• Keywords: 寄生植物 / 水平伝播遺伝子 / 小笠原諸島 / 海洋島 / 宿主特異性

Outline of Final Research Achievements

Oceanic islands provide a unique setting for studying the novel interactions between plants. Orobanche boninsimae is a holoparasitic plant endemic to the Ogasawara Islands. Our study revealed that individuals of O. boninsimae on Chichijima Island primarily parasitize Ochrosia nakaiana (Apocynaceae), whereas those on Hahajima Island parasitize Melicope grisea (Rutaceae). In contrast, the closest relative, O. coerulescens, parasitizes Artemisia spp. (Asteraceae) in continental region. Population genetic analyses suggested that Hahajima populations originated from Chichijima and Ototojima. These findings indicated significant host shifts in O. boninsimae. We investigated horizontally transferred genes (HGT genes) from the host species. We screened approximately 55,000 contigs representing the amino acid sequences of O. boninsimae using reference transcriptomes/proteins from diverse angiosperm lineages, and identified 11 genes as potential candidates for HGT genes.

Free Research Field

植物進化多様性

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

絶対寄生植物において、近縁な種間あるいは同一種内で宿主種が変化している例は少なく、異なる島の集団間で異なる科の植物に寄生しているシマウツボはその類まれな例であると言える。本研究によって、水平伝播に由来する可能性がある遺伝子が複数個見つかった。今後、水平伝播遺伝子の来歴に関する解析を深めることで、過去の宿主種を含めた宿主転換の過程を解明することができる。また、寄生植物の中には生態系への影響が大きいものや、農業被害をもたらすものもいる。シマウツボで見出された水平伝播遺伝子の機能解析を実施することで、遺伝子の水平伝播と新たな寄生能力の獲得との関連性への理解が進むと期待される。