極限の砂漠環境で植物の回復力を支える「遺伝子の宝庫」を発見

極限の砂漠環境で植物の回復力を支える「遺伝子の宝庫」を発見 生物学
©地球上で最も過酷な環境のひとつであるチリのアタカマ砂漠。

進化論的ゲノミクス手法により、アタカマ砂漠での植物の生存を可能にする遺伝子を特定し、気候変動に対応した、より回復力の高い作物を作るための手がかりを得ました。

国際研究チームは、地球上で最も過酷な環境の一つであるチリのアタカマ砂漠で植物が生き残るための遺伝子を特定しました。

この研究成果は、米国科学アカデミー紀要(PNAS)に掲載され、今後ますます乾燥していく気候でも成長できる、回復力のある作物の育成に役立つと期待されています。

Rodrigo Gutiérrez氏と共同で本研究を主導したニューヨーク大学生物学部およびゲノミクス・システムバイオロジーセンターの教授Gloria Coruzzi氏は、「気候変動が加速している今、乾燥した栄養不足の環境下での作物生産と回復力を向上させるためには、遺伝的基盤を明らかにすることが極めて重要です。」と述べています。

この研究は、植物学者、微生物学者、生態学者、進化論者、ゲノム科学者による国際共同研究です。

このユニークな専門知識の組み合わせにより、チームは、アタカマの植物が極端な砂漠の条件に適応し、繁栄することを可能にする植物、関連する微生物、遺伝子を特定することができ、最終的には作物の成長を促進し、食糧不安を軽減することに貢献することができました。

チリ・カトリック大学分子遺伝学・微生物学部のGutiérrez氏は、「アタカマ砂漠の植物に関する今回の研究は、乾燥化が進む世界中の地域に直結しており、干ばつ、異常気温、水や土壌中の塩分などの要因が、世界の食糧生産に大きな脅威を与えています。」と述べています。

地球上で最も乾燥した場所のひとつに『自然の実験室』を設置

当時、学部生だったGabriela Carrasco氏がは、アタカマ砂漠で植物の識別、ラベル付け、採取、冷凍保存を行っている。

当時、学部生だったGabriela Carrasco氏がは、アタカマ砂漠で植物の識別、ラベル付け、採取、冷凍保存を行っている。これらのサンプルは、チリのサンティアゴにあるRodrigo Gutiérrez氏の研究室でRNA抽出のために処理されるために、ドライアイスの下で保管されながら1,000マイルもの距離を移動しました。カラスコが採取しているのは、Jarava frigidaとLupinus oreophilusという種である。©Melissa Aguilar

太平洋とアンデス山脈に挟まれたチリ北部のアタカマ砂漠は、極地を除くと地球上で最も乾燥した場所です。

しかし、そこには草や一年草、多年草の低木など、数十種類の植物が生育しています。

アタカマの植物は、限られた水に加えて、高い標高、土壌中の栄養分の少なさ、非常に高い太陽光線への対応が求められます。

チリの研究チームは、10年かけてアタカマ砂漠に他に類を見ない「自然の実験室」を設立し、Talabre-Lejía横断線に沿って植生エリアと標高(100メートルごと)の異なる22カ所の場所で、気候、土壌、植物を収集し、その特徴を明らかにしました。

様々な要素を測定した結果、昼夜の温度差が50度以上あること、放射線量が非常に高いこと、土壌はほとんどが砂で養分がないこと、雨が少なく、年間の雨量のほとんどが数日で降ることなどが記録されました。

ゲノミクスを用いて、回復力のある植物の進化を探る

チリの研究者たちは、液体窒素で保存した植物と土壌のサンプルを1,000マイル離れた研究所に持ち帰り、アタカマの主要な32種の植物に発現する遺伝子を配列し、DNA配列に基づいて植物に関連する土壌微生物を評価しました。

その結果、一部の植物種では、植物の中には、根の近くに成長促進のためのバクテリアが存在することがわかりました。

これは、窒素が乏しいアタカマの土壌において、植物の成長に不可欠な栄養素である窒素の摂取量を最適化するための適応戦略です。

次に、ニューヨーク大学の研究者たちは、アタカマの種に適応したタンパク質の配列を持つ遺伝子を特定するために、ゲノムデータを用いて進化の歴史を再構築することを目的とした「フィロゲノミクス」と呼ばれる手法による解析を行いました。

ニューヨーク植物園の研究者と相談しながら、アタカマの32種の植物のゲノムを、適応していないが遺伝子的に似ている32種の「姉妹種」や、いくつかのモデル種と比較しました。

「目標は、このゲノム配列に基づく進化の木を使って、アタカマ植物の砂漠環境への適応の進化を支える遺伝子にコードされているアミノ酸配列の変化を特定することでした。」と、Coruzzi氏は述べています。

ニューヨーク大学のHPCクラスタ1高い計算能力を得ることを目的として構築されたクラスタシステムを使ってこの解析を行ったGil Eshel氏は、「この計算量の多いゲノム解析では、70種以上の植物の1,686,950個のタンパク質配列を比較しました。結果として得られた8,599,764個のアミノ酸からなるスーパーマトリックスを使って、アタカマ種の進化の歴史を系統的に再現しました。」と述べています。

本研究では、複数のアタカマ種において、進化の力によってタンパク質の配列変化が選択された265の候補遺伝子を特定しました。

これらの適応変異は、植物の砂漠環境への適応の基盤となる遺伝子で発生しており、その中には、光への反応や光合成に関与する遺伝子も含まれていたため、植物はアタカマの極端な高照度放射線に適応できる可能性があります。

同様に、ストレス応答、塩分、解毒、金属イオンの制御に関わる遺伝子も発見され、これらは、ストレスの多い栄養不足の環境に、これらのアタカマの植物が適応することに関係していると考えられます。

この『遺伝子の宝庫』から私たちが学べること

アタカマ砂漠の極限環境で育つ数十種類の植物。

アタカマ砂漠の極限環境で育つ数十種類の植物。©Melissa Aguilar

植物のストレス応答や耐性に関する科学的知識の大半は、少数のモデル種を用いた伝統的な実験室ベースの研究によって生み出されてきました。

しかし、このような分子レベルの研究では、植物が進化してきた生態学的な背景を見逃してしまう可能性があります。

Eshel氏の研究室に所属するチリ・カトリック大学のViviana Araus氏は、「自然環境下の生態系を研究することで、共通の厳しい環境に直面している種間の適応遺伝子や分子プロセスを特定することができました。今回の研究で特徴づけた植物種のほとんどは、これまで研究されていませんでした。アタカマの植物の中には、穀物、マメ科植物、ジャガイモなどの主食と密接な関係にあるものもあるので、私たちが同定した候補遺伝子は、より回復力の高い作物を開発するための遺伝子の宝庫といえます。」と語ります。

チリでの共同研究者は、Gutiérrez氏とAraus氏に加え、チリ・カトリック大学のClaudio Latorre氏、チリ大学のMauricio González氏です。ニューヨーク大学のCoruzzi氏とEshel氏は、パデュー大学のKranthi Varala氏、ニューヨーク植物園のDennis Stevenson氏、アメリカ自然史博物館のRob DeSalle氏をはじめとするアメリカの共同研究者や、彼らの研究チームのメンバーとともに、系統樹のパイプラインと解析を行いました。

Published by New York University. Plant ecological genomics at the limits of life in the Atacama Desert, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073/pnas.2101177118