遠く離れた太平洋のたった一つの島にだけ茂る植物、Amborella trichopodaは一科一属一種の植物である。また、この植物は、2億年前に他の植物から分かれたもっとも古い顕花植物の一つでもある。Indiana University、U.S. Department of Energy Joint Genome Institute (DOE JGI)、Penn State University、ニュー・カレドニアのInstitute of Research for Developmentの合同研究チームは、この植物のエネルギー生成構造を支える異常なほどのゲノムの規模を突き止めた。
なんと、この植物は、細胞中のエネルギー生成小器官である ミトコンドリアが遺伝子の水平伝播と呼ばれる特異な現象で他種植物のDNAの6種に相当するゲノムを獲得していたのである。1種はコケ、3種の緑藻、2種の顕花植物のゲノムだった。細胞小器官が他種生物のゲノムをまるまま取り込んだことを確認されたのは初めてであり、陸上植物が緑藻の遺伝子を吸収していることを確認されたのも初めてだった。2013年12月20日付Science誌に掲載された研究論文の首席著者、Indiana UniversityのDr. Palmerは、「Amborella trichopodaのミトコンドリアは、他の植物や藻類のゲノムをまるまま呑み込み、そればかりか、そのゲノムを長い歳月にわたって保存してきた」と述べ、論文もAmborellaのゲノム大食癖の規模を明らかにしている。
このミトコンドリア・ゲノムに関する研究の報告には、Amborella Genome ProjectによるAmborella trichopoodaの核ゲノムに関する研究論文、他の研究グループによるAmborella trichopodaの質の高いゲノム・シーケンス、それに複数の研究論文をまとめて関連づけたパースペクティブも添えられている。
DOE JGI Plant Programは、太陽光エネルギーを化学エネルギーに変換する光合成や、地球規模炭素循環における陸上植物や海洋植物プランクトンの役割などの基礎生物学研究を重点にしており、この研究論文に述べられているようなモデルの作成は、ミトコンドリア融合や植物、真菌類、藻類など真核生物種相互間の遺伝子伝播の起源と機序についてさらに詳しく解明する上で研究のフレームワークを向上させることになる。また、この研究論文に述べられているような、傷口を経由する遺伝子の伝播は、Amborellaと和合する植物だけでなく、寄生植物についてもあてはまる。さらに敷衍すれば、Amborellaから栄養を吸い上げる寄生植物のグループは、地球上に存在する、顕花植物から樹液を吸い取る膨大な種類の植物グループを代表している。
Plant Programのもう一つの力点は、「バイオ燃料作物」の健全な成長と病虫害の脅威について理解を深めることである。一方、DOE JGIと共同研究者は、共同研究の過程で明らかになった遺伝子注釈データ・セットの総目録を構築しており、Phytozomeを通して公開されている他、DOEのSystems Biology Knowledgebase (KBase) にも保管されている。
DOE JGI's Community Sequencing Programの下で始められたミトコンドリア・ゲノム全塩基配列解読の作業には8年を費やした。まず研究用のサンプルを手に入れるため、研究チームはこの植物が自生している土地、オーストラリア大陸東海岸から750マイルの位置にある小さな島国ニューカレドニアの本島Grande Terreまで長い旅をしなければならなかった。ところが、この植物のDNA塩基配列解読は初めは期待したような成果を挙げなかった。
遺伝子の塩基配列解読は可能だったが、DNAを増幅するために用いたテクニックでは、ゲノム・アセンブリ全体の再構築には信頼性が持てなかった。Dr. Palmerは、「そのため、出発点に戻って、もう一度、2つめの独立したゲノム・アセンブリのドラフトを作成しなければならなかった」と述べている。その後で、研究論文の第一著者、Indiana UniversityのDr. Danny Riceが、二つのアセンブリを単一の完全なゲノム・アセンブリにまとめた。
Dr. Palmerは、「手っ取り早く言えば、Amborellaのミトコンドリア・ゲノム全体のアセンブリを完成するためだけに数人の研究者が何年も費やさなければならなかったということになるが、それだけの価値はあった。その植物のゲノムは普通のゲノムとは大きくかけ離れていて、驚くことばかりだったし、同時にゲノムへの理解を深めてくれるものでもあった」と述べ、さらに、「問題の他種植物のDNAが汚染によるものだったり、ミトコンドリアではなく核酸内のものだったという可能性を排除するため、完全な塩基配列解析が必要だった」と述べている。Amborellaのミトコンドリアが遺伝子の水平伝播によって吸収、蓄えたDNAの量は少なくとも100万塩基対にものぼり、一般的な植物のミトコンドリア・ゲノムの規模が50万塩基対程度なのに対して、この植物のミトコンドリア・ゲノムは390万塩基対という膨大な規模になっている。一方、動物のミトコンドリアは、はるか昔に遺伝子伝播ができなくなっている。
この研究から、植物のミトコンドリアは他の種のミトコンドリアと融合することで新しい特性を獲得できるという仮説が強く裏付けられた。Amborellaの場合、ミトコンドリアが、着生植物など他の植物のミトコンドリアと接触する機会は多い。
Amborellaは、傷がつくとその部分の成長が速まり、事実上、Amborellaに接触した他の種のミトコンドリアの培養器になる可能性がある。このことと、ミトコンドリアの遺伝子は時間が過ぎても失われることがほとんどないという事実とあわせ、AmborellaのミトコンドリアDNAの膨大な蓄積量になった。Dr. Palmerは、Amborellaのミトコンドリアのゲノム全体を詳しく調べようと考えた動機について、「植物の遺伝子の数は比較的少ないが、ミトコンドリアのゲノムはそれに比べると基礎代謝という面で非常に重要な働きをしている。ミトコンドリアのゲノムは呼吸作用に必要な必須タンパク質の大部分をエンコードしているからだ」と述べている。
さらに、植物のミトコンドリア遺伝子の欠陥により、細胞質雄性不稔が起きることを指摘している。これは植物が生殖機能を持つ花粉を作れなくなることで、交配種種子生産という面で栽培学的に重要な特質である。また、Dr. Palmerは、「植物ミトコンドリア・ゲノムの研究で得られた成果は、他の種のミトコンドリア・ゲノムに敷衍することができる。たとえば、細胞老化の機序にも光を当てるものになる」と述べている。
■原著へのリンクは英語版をご覧ください: Pacific Plant Has Absorbed Six “Foreign” Genomes into Its Mitochondria
