DNAの代わりに光で植物の個体群を識別する「レイガン」を開発

生物学

『スタートレック』では、登場人物が「トライコーダー」と呼ばれる小型の携帯機器を持ち歩き、対象物に向けて分析や識別を行っています。

しかし、New Phytologist誌に掲載された新しい論文は、このアイデアを一歩現実に近づけています。

研究者たちは、光線銃に似た携帯型の装置を使って、アラスカのさまざまな山にある植物の葉がどのように光を反射するかを記録しました。

その結果、同じ種の植物でも、例えば隣り合った山頂に生息する植物では、遺伝子の違いを反映して、光の反射の仕方が異なることがわかったのです。

シカゴのフィールド博物館の博士研究員で、本研究の共同著者であるDawson White氏は、「訓練を受けた生物学者は、通常、現場に行って目で種を識別することができますが、保全や進化の研究に重要な、遺伝子プール内の同じ種の個体のグループである集団を明らかにするには、高価な遺伝子解析が必要です。今回の研究では、DNAの代わりに光を利用することで、植物の集団を同じレベルで詳細に定義できることを示しました。この新しい方法は、遺伝子検査よりもはるかに迅速で安価であり、生物多様性のマッピングやモニタリングの効率を劇的に向上させることができるでしょう。」と述べています。

「DNAは生物を作るための取扱説明書のようなもので、この取扱説明書には、その生物を構成する最小の個々の部品を作り、組み合わせるための指示が含まれていることがわかりました。私たちは、これらの部品から反射する光を利用して、どの取扱説明書を使って生物を作ったのかを、たとえ取扱説明書でわずかな単語の違いであっても判断することができます。」とメイン大学の大学院生研究者で、論文のもう一人の共同著者であるLance Stasinski氏は言います。

すべての生物にはDNAが含まれており、2つの生物のDNAが似ていれば似ているほど近縁であると言えます。

これは種間でも種内でも同じで、犬よりもチンパンジーの方がDNAが似ているのは、チンパンジーの方が近縁だからですし、地球の反対側にいる見知らぬ人よりもいとこの方がDNAが近いのです。

植物の場合も同様で、1つの種の中でも、集団によってDNAに違いがあります。

例えば、ある山頂にある同じ種の植物が、数キロ離れた山頂にある植物とは微妙に異なるDNAを持つグループを形成することがあります。

このように集団が分裂するということは、お互いに花粉や種子を共有しておらず、遺伝的に孤立していることを意味します。

アラスカの山頂に生息するドライアイス。

アラスカの山頂に生息するドライアス。©Catherine Chan

科学者たちは、このようなDNAの違いを研究して、植物の集団を見分けようとしていますが、これは大変な作業です。

植物のサンプルを集め、保管し、研究室に移動するための許可を得て、実際に植物の遺伝コードを配列して比較するという多くのステップを踏まなければなりません。

数週間から数ヶ月もかかる作業です。

しかし、今回の研究では、2つの植物集団がどの程度密接に関係しているかを判断するための別の方法を発見した。

そこで登場したのが光線銃です。

分光放射計とは、光が表面でどれだけ反射するか、その光にどのような波長が含まれているかを測定する装置です。

光線銃のような形をした、光ファイバーケーブルに接続されたプローブ1測定試料を測定する検出器の部品が付いており、バックパックに入っています。

農学者は、これらの機器を使って、葉から跳ね返ってくる光を分析し、病気を検出します。

しかし、今回の研究では、葉から跳ね返ってくる光は、植物の集団ごとに異なることが明らかになりました。

「葉は光と相互作用するように進化してきました。これらの機械は、光子が葉に入って吸収されたり跳ね返されたりした後の光の違いを、異なる化学的性質や構造に基づいて記録しているのです。この装置は、葉から跳ね返ってくる可視光と赤外光を読み取るもので、その情報から葉の化学的性質や構造に関する膨大な量の情報を得ることができます。」とWhite氏は説明します。

アラスカでドライアスの植物を分析するDawson White研究員。

アラスカでドライアスの植物を分析するDawson White研究員。©Dawson White

シューディック研究所とメイン大学のWhite氏たちは、この分光器をアラスカの高山地帯に持ち込み、ドライアスという常緑の小低木を調査しました。

そして、植物の葉をスキャンし、後でDNAを分析できるように植物のサンプルを採取しました。

「私たちのフィールドワークの目的は、さまざまなスケールの植物群集の反射データを収集することです。本研究では遺伝子型を、他の研究では個別の種やより粗い植物機能型を収集します。私たちは、多くの研究で植物のこれらの反射信号を使用して、私たちのUAVベースの画像とNASAのAVIRIS ng空中センサーを使用して植生をマッピングしています。このような植生に関する地上と空中からのより正確な情報は、野生生物の生息地の定量化から地下の永久凍土の動態の推測まで、これらのツンドラで多くの用途があります。」とアカディア国立公園のシューディック研究所の森林生態学ディレクターであり、メイン大学森林資源学部の准教授でもあるPeter R. Nelson氏は語ります。

科学者たちは、ある山頂から次の山頂まで、葉が反射する光の量と波長が異なることを発見しました。

そして、植物のゲノムを解析したところ、この反射率の違いは、植物の遺伝子の違いと見事に対応していることがわかったのです。

つまり、ある植物の集団が遺伝的にユニークであるかどうかを調べようとしている現場の研究者にとって、植物が反射する光を見ることは、長い時間をかけた遺伝子検査の代わりに、迅速かつ信頼性の高い方法となるのです。

White氏は、「異なる山頂が遺伝的に隔離されており、花粉や種子を共有していないこと、さらには、遺伝学やこの新しいスペクトル法で、これらの異なる山頂を検出できることに非常に驚きました」と語ります。

アラスカでドライアスの植物を分析するCatherine Chan研究員。

アラスカでドライアスの植物を分析するCatherine Chan研究員。©Dawson White

「生物学的に複雑なシナリオであっても、葉のスペクトルが遺伝的変異をこれほどまでに捉えているという事実は、非常に有望です。技術やモデルが向上すれば、UAVから測定したスペクトルを使って、バックパック型分光器を使った場合と同じレベルの精度で多様性を検出できるようになると思います。」とメイン大学のDudu Meireles教授は言います。

植物の遺伝子集団を見分けることができれば、絶滅の危機に瀕している個体群の保護に取り組む科学者にとって、非常に重要な意味を持ちます。

フィールド博物館の学芸員で本研究の著者の一人であるRick Ree氏は、「これらの山頂の一つ一つが遺伝的にユニークであることがわかったということは、自然保護にも影響があるということです。特に、気候変動によって高山生態系の生息地が縮小していることを考えると、すべての山頂からサンプルを採取すべきだということになります。」と言います。

Published by Field Museum. Lance Stasinski et al, Reading light: Leaf spectra capture fine‐scale diversity of closely related, hybridizing arctic shrubs, New Phytologist (2021). DOI: 10.1111/nph.17731