ザゼンソウの発熱形質が遺伝的多様性に与える影響の解明

• 研究課題/領域番号: 21K15149
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分45030:多様性生物学および分類学関連
• 研究機関: 公益財団法人かずさDNA研究所
• 研究代表者: 佐藤 光彦 公益財団法人かずさDNA研究所, 先端研究開発部, 研究員 (30783013)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2021年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 進化生態学 / 発熱植物 / 生態ニッチモデリング

研究開始時の研究の概要

発熱植物はソテツやスイレンなど祖先的な植物を中心に80種ほどが知られている。一般に発熱形質は匂いの拡散による訪花者の誘引に寄与すると考えられているが、寒冷地で発熱する唯一の植物であるサトイモ科のザゼンソウ属では発熱が寒冷適応に関連している可能性がある。その場合、最終氷期における分布縮小の緩和や訪花者の滞在時間が伸びることによる集団隔離、より低温な高標高への進出などに発熱形質の寄与が考えられる。そこでザゼンソウ属を対象として、発熱形質が種内の多様性や種分化にどのように寄与したかを検証する。

研究実績の概要

寒冷地で雪の残る時期から開花する発熱植物として現在唯一報告されているザゼンソウ属の発熱形質が寒冷適応に寄与しているとすると、ほとんど発熱しないヒメザゼンソウと比べて最終氷期の分布縮小や集団隔離の程度などに差異が生じると考えられる。その痕跡を現在の分布情報から検出するために、ザゼンソウとヒメザゼンソウを対象として機械学習アルゴリズムに基づくMaxEntを用いた生態ニッチモデリングによって生育適地の推定と遺伝的多様性の解析を実施した。現在の分布の決定に最も寄与する環境要因が両種とも冬期の降水量であり、積雪の重要度が示唆された。両種の現在の分布の重複の程度を評価するために、999回のランダムサンプリングから帰無分布を構築してNiche identity testとsymmetric background testによって検定したところ、ランダムと比べて有意に生育範囲が異なっており、近縁種間でニッチ分割が見られた。
現在よりも寒い最終氷期から現在よりも温かい完新世中期、現在との経時的な分布の変化を予測すると、ほとんど発熱しないヒメザゼンソウは最終氷期には南方に広く分布しており、暖かくなるにつれて分布の大きさを維持しながら北へ移動した。いっぽうで発熱するザゼンソウは最終氷期には広範に分布しており、暖かくなるにつれて分布が大きく変化することなく分布が縮小していることがわかった。日本各地のザゼンソウ、ヒメザゼンソウに対して次世代シーケンサーを用いた葉緑体のrbcLとpsbA-trnH領域の配列決定と、核のSNP情報をゲノムワイドに得られるMIG-seq法を実施した。葉緑体、核ともに発熱するザゼンソウでより遺伝的多様性が高いことが示され、両種の分布の変化パターンを支持する結果となった。
以上の成果は国際学術誌へ掲載された。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

ここまでの成果が国際誌「Ecology and Evolution」へ掲載された。現在、発熱種と非発熱種でどのような領域に遺伝的多様性に差があるかの探索と自然選択の痕跡の検出のためのザゼンソウの新規ゲノム決定を進めている。

今後の研究の推進方策

発熱種と非発熱種でどのような領域に遺伝的多様性に差があるか、自然選択の痕跡が見られるかを検出するためにザゼンソウの新規ゲノムを決定した。ほとんどすべての遺伝子を決定できているため十分に利用可能であると考えられるが、現状では染色体レベルの精度までは達していない。特にヒメザゼンソウは2倍体であるのに大してザゼンソウは4倍体であるため、そのゲノム構造の差異は重要かもしれない。そこでゲノムの3D構造から近傍領域を特定するHi-Cを実施して染色体レベルを目指す。またヒメザゼンソウも新規にゲノムを決定する。

研究成果

• [雑誌論文] Potential contribution of floral thermogenesis to cold adaptation, distribution pattern, and population structure of thermogenic and non/slightly thermogenic <i>Symplocarpus</i> species (2023)
  • 著者名/発表者名: Sato Mitsuhiko P.、Matsuo Ayumi、Otsuka Koichi、Takano Kohei Takenaka、Maki Masayuki、Okano Kunihiro、Suyama Yoshihisa、Ito‐Inaba Yasuko
  • 雑誌名: Ecology and Evolution 巻: 13 号: 7
  • DOI: 10.1002/ece3.10319
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Molecular characterization of SrSTP14, a sugar transporter from thermogenic skunk cabbage, and its possible role in the developing pollen. (2023)
  • 著者名/発表者名: Koyamatsu, D., Otsubo, M., Ohira, T., Sato, M. P., Suzuki-Masuko, H., Shiota, T., Takenaka-Takano, K., Ozeki, M., Otsuka, K., Ogura, Y., Hayashi, T., Watanabe, M., Inaba, T., and Ito-Inaba, Y.
  • 雑誌名: Physiol. Plant. 巻: 175 号: 4
  • DOI: 10.1111/ppl.13957
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Telomere-to-telomere genome assembly of an allotetraploid pernicious weed, <i>Echinochloa phyllopogon</i> (2023)
  • 著者名/発表者名: Sato Mitsuhiko P、Iwakami Satoshi、Fukunishi Kanade、Sugiura Kai、Yasuda Kentaro、Isobe Sachiko、Shirasawa Kenta
  • 雑誌名: DNA Research 巻: 30 号: 5 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1093/dnares/dsad023
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] From green to red: Urban heat stress drives leaf color evolution (2023)
  • 著者名/発表者名: Fukano Yuya、Yamori Wataru、Misu Hayata、Sato Mitsuhiko P.、Shirasawa Kenta、Tachiki Yuuya、Uchida Kei
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 9 号: 42 ページ: 3542-3542
  • DOI: 10.1126/sciadv.abq3542
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Species?genetic diversity correlations depend on ecological similarity between multiple moorland plant species (2022)
  • 著者名/発表者名: Ishii Naohiro I.、Hirota Shun K.、Matsuo Ayumi、Sato Mitsuhiko P.、Sasaki Takehiro、Suyama Yoshihisa
  • 雑誌名: Oikos 巻: 2022 号: 9
  • DOI: 10.1111/oik.09023
  • 査読あり
• [雑誌論文] Assessing the effectiveness of DNA barcoding for exploring hidden genetic diversity in deep-sea fishes (2022)
  • 著者名/発表者名: Teramura A、Koeda K、Matsuo A、Sato MP、Senou H、Ho HC、Suyama Y、Kikuchi K、Hirase S
  • 雑誌名: Marine Ecology Progress Series 巻: 701 ページ: 83-98
  • DOI: 10.3354/meps14193
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Establishing an efficient protoplast transient expression system for investigation of floral thermogenesis in aroids (2022)
  • 著者名/発表者名: Maekawa Haruhiko、Otsubo Miyabi、Sato Mitsuhiko P.、Takahashi Tomoko、Mizoguchi Koichiro、Koyamatsu Daiki、Inaba Takehito、Ito-Inaba Yasuko
  • 雑誌名: Plant Cell Reports 巻: 41 号: 1 ページ: 263-275
  • DOI: 10.1007/s00299-021-02806-1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Revegetation in Japan overlooks geographical genetic structure of native Artemisia indica var. maximowiczii populations (2021)
  • 著者名/発表者名: Wagatsuma Satoshi, Imanishi Junichi, Suyama Yoshihisa, Matsuo Ayumi, Sato Mitsuhiko P., Mitsuyuki Chika, Tsunamoto Yoshihiro, Tominaga Tohru, Shimono Yoshiko
  • 雑誌名: Restoration Ecology 巻: e13567 号: 7 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1111/rec.13567
  • 査読あり
• [雑誌論文] Genetic consequences of habitat fragmentation in a perennial plant Trillium camschatcense are subjected to its slow‐paced life history (2021)
  • 著者名/発表者名: Tsuzuki Yoichi、Sato Mitsuhiko P.、Matsuo Ayumi、Suyama Yoshihisa、Ohara Masashi
  • 雑誌名: Population Ecology 巻: 64 号: 1 ページ: 5-18
  • DOI: 10.1002/1438-390x.12093
  • 査読あり
• [学会発表] 異質4倍体水田雑草タイヌビエのT2Tゲノム解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 光彦 , 岩上 哲史 , 保田 謙太郎 , 磯部 祥子 , 白澤 健太
  • 学会等名: 日本生態学会第71回大会
  • 招待講演
• [学会発表] 植物の発熱誘導・制御の遺伝基盤の解明 (2023)
  • 著者名/発表者名: 佐藤光彦
  • 学会等名: 日本進化学会第25回大会
• [学会発表] タイヌビエの高精度ゲノム解読からわかる日本国内の遺伝的多様性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 佐藤光彦, 岩上哲史, 福西詩奏, 杉浦快, 保田謙太郎, 磯部祥子, 白澤健太
  • 学会等名: 日本雑草学会第62回大会
• [学会発表] ザゼンソウの発熱形質は寒冷適応に寄与するか？ (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐藤光彦, 松尾歩, 大塚孝一, 高野(竹中)宏平, 牧雅之, 岡野邦宏, 陶山佳久, 稲葉靖子
  • 学会等名: 日本進化学会第24回大会
• [学会発表] ザゼンソウの発熱形質は寒冷適応に寄与するか (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐藤光彦、松尾歩、大塚孝一、髙野（竹中）宏平、牧雅之、岡野邦宏、陶山佳久、稲葉靖子
  • 学会等名: 第69回日本生態学会
• [備考] 発熱植物ザゼンソウの生存戦略に手がかり
  • URL: https://www.kazusa.or.jp/news/230801/