3億年の進化が詰まった「松ヤニ」、キクイムシとの攻防の鍵を握る
森を歩くと香る、マツやモミの木の爽やかな香り。その正体である「樹脂（ヤニ）」には、実は何億年もの進化の歴史が刻まれていることをご存知でしょうか。樹木が害虫から身を守るために分泌するこのネバネバした液体には、はるか昔に生まれた”古代の防御物質”と、比較的新しく進化した”最新の防御物質”がブレンドされています。このユニークな組み合わせが、森林を脅かすキクイムシとの戦いにおいて、いかに重要な役割を果たしているのか。最新研究がその驚くべき進化の謎を解き明かしました。
研究の要点
針葉樹は樹脂を使って害虫から身を守ります。この樹脂にはジテルペンという防御物質が含まれています。
これらのジテルペンの一部は、針葉樹が進化する前の3億年以上前に起源を持ちます。一方、他のジテルペンは、おそらくキクイムシから身を守るために、後になってから異なる針葉樹種で独立して発達しました。
この繰り返し起きた進化が可能だったのは、ジテルペンを生成する酵素が、特定の物質への進化の経路を開くような変化を事前に遂げていたためです。これは「エピスタシス」と呼ばれるメカニズムに基づいています。エピスタシスとは、場合によっては、準備段階の変化がすでに起こった後で初めて新しい形質が進化できる現象です。
この発見は、針葉樹の防御に関する進化メカニズムへの洞察を与え、私たちが植物の持つ天然の保護能力をより良く理解し、活用するのに役立つ可能性があります。
マツ、トウヒ、モミなどの針葉樹は、昆虫や病原体から木を守るための粘着性の樹脂を生成します。この樹脂の重要な成分が、キクイムシや菌類を撃退する特殊な天然物質であるジテルペンです。これらの化合物を生成する酵素は、ジテルペン合成酵素と呼ばれます。
ドイツ・イエナのマックス・プランク化学生態学研究所と米国アイオワ州エイムズのアイオワ州立大学の研究チームは、これらの酵素が遠い過去に一度だけ生まれたのか、それとももっと最近になって異なる針葉樹で独立して進化したのかを突き止めたいと考えました。「ジテルペン合成酵素は、わずかな構造変化で異なる化学生成物を生み出すようになるため、非常に興味深い酵素です。したがって、植物が進化の過程でどのようにしてこれほど膨大な種類の防御物質を生み出すようになったかを調査するのに理想的です」と、研究の出発点を説明するのは、筆頭著者であるマックス・プランク研究所生化学部門のアンドリュー・オドネル博士（Andrew O’Donnell, PhD）です。この論文は2025年9月XX日に科学誌PNASに掲載され、そのタイトルは「Favorable Epistasis in Ancestral Diterpene Synthases Promoted Convergent Evolution of a Resin Acid Precursor In Conifers（祖先型ジテルペン合成酵素における有利なエピスタシスが針葉樹における樹脂酸前駆体の収斂進化を促進した）」です。
酵素の進化的過去への旅
これらの酵素の進化の歴史を解明するため、チームは遺伝子解析を行い、可能性の高い祖先型のジテルペン合成酵素を再構成し、実験室で研究しました。科学者たちは、これらの再構成された酵素を改変し、その生成物がどのように変化するかを観察しました。「ある酵素の生成物を特定するために、私たちはその遺伝子をバクテリアに導入しました。すると、バクテリアが私たちの代わりに酵素を生産してくれます。その酵素を分離し、適切な出発物質を加え、得られた生成物を最新の分析手法を用いて詳細に解析しました」と、針葉樹防御プロジェクトグループのリーダーであるアクセル・シュミット博士（Axel Schmidt, PhD）は説明します。
特定の祖先型酵素の年代を決定するために、研究者たちは多数のジテルペン合成酵素の配列と、針葉樹種間の進化的関係を考慮に入れる必要がありました。その結果、今日の針葉樹の樹脂に含まれるジテルペンの一部は、マツ、トウヒ、モミが現在の形で存在するよりもはるか昔、3億年前に起源を持つことが分かりました。しかし、他の重要なジテルペンは、より最近になって複数の異なる樹種で独立して発達したものでした。
なぜ進化には時として非常に長い時間がかかるのか
これにより、なぜこれらの化合物の一部は発達にそれほど長い時間がかかったのか、それでいてなぜ異なる樹種で同様の結果に至ったのか、という疑問が生じました。この過程で中心的な役割を果たしたのが、エピスタシスと呼ばれる遺伝的メカニズムです。新しい形質は、しばしば他の変化が事前に起こっている場合にのみ出現します。「植物が特定の物質を発達させる可能性は、数百万年かけてゆっくりと、そして針葉樹が他の植物から分岐した後に劇的に増大しました。このことが、なぜ一部の植物群が同じ特徴を繰り返し発達させるのかを説明できるかもしれません」とオドネル博士は言います。
キクイムシに対する防御
今日、針葉樹の樹脂は、古代のものとより最近のジテルペンが混ざり合ったものです。化石の発見からも裏付けられるように、これらのより最近の防御物質は、キクイムシがすでに存在していた時代に発達した可能性があります。マツ、トウヒ、モミは、異なる進化の道をたどりながらも、これらの害虫に対する防御として、おそらく同じジテルペンを独立して発達させたのです。
この古代と最近の防御物質のユニークなブレンドは、樹木がキクイムシのような現在の害虫をどれだけうまく撃退できるかにとって、極めて重要かもしれません。「キクイムシの攻撃のような新しい課題に木が迅速に適応する能力は、進化の過程でその代謝にすでに起こった変化に依存しています。この前史が、どの新しい特性が発達できるか、ひいては植物がどれだけうまく適応できるかを決定するのです」と、マックス・プランク研究所生化学部門の責任者であるジョナサン・ガーシェンゾン博士（Jonathan Gershenzon, PhD）は説明します。
研究者たちは今後、ジテルペンとジテルペン合成酵素の進化が、キクイムシとそれに関連する菌類の両方に対して、今日の樹木が自身を守る能力にどのように影響を与えてきたかを調査したいと考えています。カブトムシと菌類という二重の脅威に対して最も効果的に防御するためには、物質の混合物が必要である可能性が高いです。
[News release] [PNAS]
