「植物はなぜ自家受精をするのか」

植物はなぜ自家受精をするのか (遺伝子から探る生物進化 5)

本書は慶応大学出版会の「遺伝子から探る生物進化」シリーズの一冊．若手進化生物学者の土松隆志による自伝的要素を含む生態学とゲノミクスを統合して行った研究物語に仕上がっている．若手生物学者の自伝的研究物語シリーズといえば，東海大学出版部の「フィールドの生物学」があるが，本シリーズは近年技術進展が著しいゲノミクス要素がポイントになる．テーマはシロイヌナズナの自家和合性．これは配偶戦略という興味深いエリアになる．私としても見過ごせない一冊だ．

第1章　自家受精の研究を始めるまで

著者は高校生の頃は，進化には普遍法則も因果関係の実証もない単なる「歴史物語」でありつまらないと感じていたが，趣味の山登りを通じて様々な高山植物に出会い，生態学に興味を抱くようになる．そして東大に進み，駒場で嶋田正和の講義を受講して進化生態学の面白さに目から鱗が落ちる．適応的性質についてモデルを組んでフィールドで実証することができるとはいかにも面白そうだ，是非本気で取り組みたいと思うようになる，
そして専門課程では植物の進化生態学の研究室に進む．そこでは植物の持つ多様な性表現の進化に興味を持つ．両全性（両性花のみ）から雌性両全性異株，雄性両全性異株，雌雄異株，雌性両全性同株，雄性両全性同株，そして雌雄同株まで実にいろいろな表現があり，これは何らかの環境条件に対する適応形質に違いないのだ．これをうまく説明できる理論モデルが組めたら面白いしカッコイイではないか．これは基本的に性配分戦略の問題になる．そして卒業研究のテーマにして，チャールズワースの理論的論文を読み，そのテーマで多くの論文を出している酒井聡樹に教えを請うようになる．そしていろいろ理論モデルを組み立ててみるがあまりピンとしたものにならない．そんなある日，駒場で開かれた日本進化学会で矢原徹一の意見を聞く機会を得る．しかし矢原はこう言い放つ．「そんなことをしたって，酒井聡樹の落ち穂拾いになるだけだよ」要するにそのテーマは既に先人たちがいじくり回した後なので，真新しいことはできないという意味だ．これは著者にずしんと響く．種子の休眠という要素を組み込んだモデルで卒論，修論はクリアするが，矢原の指摘通り小さくまとまったものでしかなかった．
ここで著者は，理論ありきで考えるのはやめて，具体的な現象を実証的に研究するところからはじめてみようと，また進化生態学の仮説の検証についてより直接的にDNAのところで詰められないかと思うようになる．ちょうどそのころ，チューリヒでシロイヌナズナの研究室を立ち上げた清水健太郎に誘われて，東大に籍を置きつつチューリヒでの研究生活が始まる．

第2章　シロイヌナズナにおける自殖の進化

チューリヒでシロイヌナズナの自殖の進化を研究しはじめるところで，一旦理論的な解説編になる．

• 多くの有性生物は自殖を避ける．これは近交弱勢のデメリットを避けるためとされている．しかし時に自殖が進化する．自殖のメリットとしては，包括適応度上の有利さと，確実な繁殖の保証などが挙げられている．
• 両性花を持つ植物でよく見られる自殖回避システムが自家不和合性になる．多くの植物で見られる自家不和合性の仕組みはほぼ共通で，これは花粉側特異性遺伝子と柱頭側特異性遺伝子が緊密に連鎖したS遺伝子座により規定される自己認識システムによっている．
• S遺伝子座内では（自家不和合性が保たれている場合には）負の頻度依存淘汰が働くのでアレル数は数十以上になる．塩基多様性では遺伝子の平均の100倍程度になる．
• シロイヌナズナが属するアブラナ科ではこの花粉側特異性遺伝子SCRと柱頭側特異性遺伝子SRKが既に解読されている．シロイヌナズナの近縁種ハクサンハタザオではこの自家不和合性が生きており，その他の近縁種を入れた系統樹的な解析によるとシロイヌナズナとハクサンハタザオの祖先種は自家不和合性であると推定され，シロイヌナズナの系統でこの仕組みが壊れて自家和合性が進化したと考えられる．
• SCR，SRKを比較し，シロイヌナズナ側で起きた突然変異を同定し，その頻度を分析すれば（自家和合性を生みだした変異とその後に浮動で生じた変異は集団中の頻度が異なってくる），進化を引き起こした変異を絞り込めると考えられる．

ここで著者はシロイヌナズナとはどのような植物かを解説し，いろいろ愛を語っていて面白い*1．そしてここから著者による研究物語が始まる．

• 多数の系統のシロイヌナズナのS遺伝子座を解析するとそのうち一部（12系統，全体の5％程度）のSRKは（ハクサンハタザオと比べて）どこも壊れてなく，つぼみにおいて発現していることがわかった．
• そこでこの系統のシロイヌナズナとハクサンハタザオの交配実験を行うと，12系統のうち7系統では同じタイプのアレル間で自家不和合が生じた．この7系統ではSRKだけでなく柱頭側の自家不和合システム全体が機能性を保っているのだ．
• そこでSCR側をハクサンハタザオを比較するとS遺伝子座がAタイプの系統（全シロイヌナズナの95％がこのタイプ*2）に共通の213塩基対の逆位が見つかった．この逆位を戻したSCR推定祖先配列を実験的に作成して，先ほどの機能残存SRKを持つ系統に遺伝子導入し，交配実験をすると自家不和合性が観察された．以上のことはシロイヌナズナの自家和合性が花粉側因子の突然変異により生じたことを強く示唆している．
• ここからわかることは何か．まず7系統で柱頭側のシステムが壊れずに残っていることから，シロイヌナズナの自家和合性の進化は比較的最近生じたと思われる．別の研究グループの分子進化速度からの推定によると41万年より新しいとされている．これは氷河期であり，繁殖保証説で説明できる可能性がある．
• 次にAタイプ以外（BタイプとCタイプがある*3）のシロイヌナズナでも自家和合性が見られることから，自家和合性は複数回独立に進化したと推測できる．
• 自家和合性が花粉側の変異に生じたことに（適応的な）意味はあるのか．2001年に理論集団遺伝学者のウエノヤマは自家和合性の進化は花粉側で生じやすいという理論的予測をしている．これは最初の変異体が「集団中のすべての花粉を受け入れられるめしべを持つ個体」である場合と「集団中のすべてのめしべと交配できる花粉を持つ個体」である場合のどちらが集団に広まりやすいかという問題で，より競合関係の強い花粉側の変異体の方が広まりやすいということから来る理論的予測である．今回のシロイヌナズナのこの分析結果は（サンプル数1とはいえ）この理論的な予測と整合的だ．

ここから著者は2010年にこの結果を論文にまとめてNatureに受理されるまでの悪戦苦闘の物語，その後のSMBE（国際分子生物進化学会）での発表とWalter Fitch賞受賞にかかる顛末を置いている．外から見ると素晴らしいエレガントな結果をもとにした博士号取得前のNature論文，そして学会賞の受賞ということで華々しいが，当然ながらそれなりの苦労があるのだ．

第3章　自殖の進化に見られる普遍性

著者は本章の冒頭で，研究テーマとしての自殖の面白さについて，何度も独立に進化している形質だということを指摘する．というわけでNature論文受理直後に博士号を取り，引き続きチューリヒでポスドクとして取り組む次の研究ターゲットはシロイヌナズナの近縁種ミヤマハタザオとタチスズシロソウ（この2つはArabidopsis kamchaticaの2亜種であり，まとめた種名としての和名がないということらしい．本書では「ミヤマハタザオ・タチスズシロソウ」と表記しているが，以下本書評ではミヤマハタザオと表記する）になる．ミヤマハタザオは日本を含む北太平洋沿岸に分布し，自家和合性であり．雑種（ハクサンハタザオとArabidopsis lyrata）由来の異質倍数体（4倍体）だという特徴を持つ．

• ミヤマハタザオのS遺伝子座を調べると，（異質倍数体由来の）2コピーのSアレルを持ち，片方はハクサンハタザオ由来のS1，S22，S23+の3タイプ，もう片方はA. lyrata由来のS42，S17の2タイプがあることがわかった．（以降それぞれA，B，C，D，Eと表記されている）この構造は交配実験（F₂分離解析）によっても確かめられた．
• 次にSRKの塩基配列を読み込むと，いくつかの明らかな機能喪失型突然変異がある一方，多くの系統のSRKは特に壊れていないように見える（このような系統の柱頭側の機能が維持されていることは交配実験で確かめた）．これはミヤマハタザオの自家和合性の進化起源がシロイヌナズナより新しいことを示唆している．
• シロイヌナズナでできたようなSCR側の遺伝子変異を特定したかったが，プライマー設計の困難のため断念せざるをえなかった．しかし上記交配実験を雌雄逆向きに行って花粉側の機能が壊れていることを確かめた．以上をあわせるとミヤマハタザオでも花粉側の突然変異によって自家和合性が進化したことが強く推察される．
• ここで最近の関連論文をチェックすると，アブラナ科で花粉側因子により自家和合性の進化が生じたという報告が，2論文3例あることがわかった．著者たちの発見を加えるとサンプル数5ですべて花粉側による自家和合性進化例になる．これはウエノヤマ仮説が正しいことを示唆している．
• ここでウエノヤマ仮説以外に花粉側で生じやすいことを説明できる対立仮説を検討する．まず「花粉の方が分裂回数が多いので変異が生じやすい」というものがあり得るが，花粉形成時に生じた突然変異が花粉側で発現するというわけではないのでこれは当たらない．次に「柱頭側のSRKには別の機能があるのではないか」というものもありうる．しかし自家和合性が生じた後の浮動による壊れ方を見るとこれも当たらないと考えられる．
• ここでさらに関連論文を広げてチェックすると，アブラナ科の栽培植物（キャベツ，ブロッコリーなど）では，逆に柱頭側のSRKが壊れて自家和合性になっているものが多いことがわかった．意外な結果だが，「栽培植物では自家和合性が（ヒトにとって）都合がいいので，1個体でも見つかれば強い人為淘汰を受けてそれが固定化されるだろう．すると，そもそもの突然変異は（SRKの方がSCRより配列が長いので）SRK側で生じやすく，それが人為淘汰を受けるので栽培植物ではSRK由来が多くなる．しかし野生では，一旦突然変異が生じた後の自然淘汰による広がりやすさについて花粉由来と柱頭由来で異なるためにSCR由来が多い（ウエノヤマ仮説）」として説明できそうだ．

ここで著者はウエノヤマ仮説を掘り下げる．ウエノヤマ仮説は花粉側で自家和合性が生じやすいとしているが，これは前提（花粉側の方が競争が強い）に依存する．花粉生産量やSアレルタイプ数によっては花粉制限が生じる可能性があるからだ．著者はウエノヤマモデルを発展させたシミュレーションモデルを組み，花粉制限と突然変異の生じやすさをパラメータにして，自家和合性の進化がどちらの要因に寄りやすいかを示すエレガントな結果を得る．このリサーチは，久しぶりに学生の時にやりたかった理論モデル研究ができることにわくわくし，かつ具体的なデータを基にモデルを組めるという充実感があったと感慨深く語っている．

第4章　シロイヌナズナ再び

2011年，著者はウィーンのグレゴール・メンデル研究所にあるノードボーグ博士のシロイヌナズナの遺伝学研究室にポスドクとして移る．ノーボーグは次世代シーケンサー前にシロイヌナズナの大規模な遺伝子解析を行ったことで有名で，自殖進化時期の推定にも関心を持っていた．チューリヒからウィーンに移る顛末（なかでもEMBOのフェローシップ獲得にかかるエピソードは面白い），メンデル研究所の雰囲気などを楽しく紹介した後，次の研究物語が始まる．物語は再びシロイヌナズナのS遺伝子座に戻る．

• S遺伝子座のアレルタイプにはA，B，Cが見つかっているが，実はこのほかにも最近ナスララたちによって発見されたAとCがキメラになった「組換え体」がある．
• そもそもS遺伝子座は自己認識機能を持つので組換え抑制が強く働いている（仕組みは完全には解明されていないが，対合が起こりにくくなることで生じると考えられている）．組換えが起これば自己認識機能が破壊され自殖が可能になるはずだ．ナスララたちはこの組換えのような構造変異も自家和合性の起源であると主張している．
• もちろん構造変異は自家和合性が生じた後の2次的な変異かもしれない．これを解決するにはS遺伝子座の様々な変異の全体像を把握する必要がある．ここでノーボーグ研究室にはシロイヌナズナの大規模ゲノムデータセットがあり，これを利用し，さらに次世代シーケンサーを使った解析を行うことにする．（この部分は最新技術を応用した取り組みが詳しく紹介されていて迫力がある）
• ノーボーグのゲノムセットはAタイプのもので，Aタイプについては次世代シーケンサーから得られるデータがうまくマッピングできたが，それ以外のタイプは配列が異なりすぎてうまく参照できない．思案に暮れているとノーボーグはおなじくシロイヌナズナのS遺伝子座に興味を持つフランスのカストリクのグループに相談してみてはどうかとアドバイスをくれる．著者はメールで連絡を取り，フランスのリール大学へ赴いて，フランスの「自家不和合性オタク」たちと心ゆくまで議論を行う．そこで彼等の手法「細菌人工染色体：BAC」を用いれば様々なタイプの配列を解析できるという見通しが得られた．
• BACを用いて解析を進めた結果．S遺伝子座の全貌が見えてきた．その結果ACの様々な組換えキメラタイプの生じた過程（基本的に対合が生じるとっかかりを生みだす変異が鍵になる）も理解できるようになった．また様々なキメラタイプはすべてSCRのAタイプの逆位を含んでおり，まずSCRの逆位が生じて自家和合性が進化し，その後中立的な浮動として組換えが生じたことが明らかになった．

この章の最後に著者は「ネアンデルタール」シロイヌナズナの話を紹介している．ノーボーグの研究室では1135系統のシロイヌナズナのゲノムデータを解析している．そこから明らかになったことの1つはこのうち26系統が，氷河期以降その他の系統と分岐しかけていて遺伝的な距離があるということだった．著者はおそらくシロイヌナズナは氷河期にいくつかのレヒュージアに別れ，そのうち1つの系統だけが圧倒的に頻度を増やしたのではないかと推測している．するとこの遺存系統である少数派の26系統はシロイヌナズナのネアンデルタールのようなものだということになるというのだ．これもちょっと面白い．なお遺存系統にはA，B，Cすべてのタイプがあるが組換えは見つかっていない．しかしAタイプにはSCRの逆位が存在する．これは逆位（そして自家和合性）が最終氷期より前（7万年前よりは古い）に生起したことを示唆している．著者は自家和合性の起源は，第2章の分子進化則後からの推定（41万年前より新しい）と組み合わせると，10〜40万年前ということになり，それは氷期と間氷期の繰り返しの中で分布域が大きく拡大・縮小する過程で生じたのだろうと推測できるとしている*4．（なおここは元理論屋を目指した著書の説明にしてはやや物足りない．紙数に余裕があれば，なぜ分布の拡大・縮小が自殖の進化に結びつくのかをもっと具体的に理論解説したかったところではないかと思われる）そしてシロイヌナズナのS遺伝子座の解析についての論文は，単に突然変異の順序推定ではつまらないとなかなか受理されなかったのだが，このネアンデルタールシロイヌナズナの考察を加えて2017年3月にようやく受理される運びになったと結んでいる．

第5章　残された課題

著者は，自分が結局やってきたことは高校生の頃つまらないと思っていた「歴史物語」そのものだったと感慨深く語る．普遍性を追求したいと思ってやってきたが，ある1種の1つの遺伝子座の歴史を解明することだけでも大変なことなのだ．そして引き続き普遍的な法則を見つけたいと願っているし，一方で1回性の歴史を記載することの楽しさを学ぶこともできたと振り返る．そしてウィーンで取り組んだもう一つの課題「自殖シンドロームの進化」の問題*5を簡単に解説し，それを遺伝子レベルで解明する試み*6についても少し触れる．
さらに今後は，自殖が当該植物に与える（絶滅リスクなどの）長期的な影響（これはマクロ進化とミクロ進化を橋渡しする問題になる），非自己認識型の自家不和合性（ナス科の植物の自家不和合性のシステムはアブラナ科とは全く異なり，柱頭側に花粉管伸長を阻害する「毒」が仕込まれていて，自分と異なるタイプの花粉に対しては解毒する，そのために多数の解毒遺伝子がS遺伝子座に便乗しているという驚くべきものであることがわかっている）を含めたより広い視点からの研究を進めたいと抱負を語って本書を終えている．

本書は，1970年代から急速に進展した行動生態学の理論研究に憧れた若者が，その波にやや乗り遅れ，しかし逆に現在急速に進展しているゲノム解析の世界に飛び込み，進化生態学の理論を踏まえたゲノム解析で見事な結果を示すことに成功するという，わくわくするような研究物語だ．そしてその理論的，技術的な詳細について手を抜かずにきっちり読者に伝えようとする姿勢が特に素晴らしい．そして複雑でわかりにくいゲノム配列，その変異，解析技術の世界が明晰に解説されている．進化生態，行動生態の理論に興味のある人，ゲノム解析と進化生態を結びつけるリサーチエリアに興味のある人，植物の進化に興味のある人それぞれに得るところの多い一冊だと思う．

関連書籍

矢原による植物の自殖の進化にかかる研究物語．初期の進化生態学の研究物語の傑作だ．

花の性―その進化を探る (Natural History)

同じく酒井聡樹の研究物語．植物の形態の進化が中心になる．

植物のかたち―その適応的意義を探る (生態学ライブラリー)

*1:モデル生物であるシロイヌナズナは様々な突然変異系統が維持管理されており，著者は300系統以上栽培したことがあるそうだ．よく見れば見るほど系統間の違いは味わい深く，中には「世界中で自分だけしか気にしていないだろう」という特徴もあると書いている．

*2:明確な解説はないが，自家不和合性の場合には負の頻度依存でこのアレルタイプ数が数十にもなるが，自家和合性が進化した場合には突然変異が生じたごく少数のアレルのみが残るようだ．シロイヌナズナでは3タイプのみが見つかっている．

*3:この両タイプではSCR，SRKともに機能を失っている

*4:さらにノーボーグは別の分子進化速度の分析から自家和合性の起源について100万年前と推定している．この数字との整合性について，著者は，部分的な自殖の起源はより古いと解釈すれば矛盾なく説明できるのではないかと書いている．

*5:自殖の進化とともに様々な花の性質が同時に進化する現象，理論的には性配分の問題と深く関連する

*6:まずは花粉数を制御する遺伝子を解析しているところだそうだ