植物はDNAを溜め込む生き物である。後で役に立つかもしれないものは絶対に捨てないという信念のもと、植物は自分のゲノム全体を複製して、追加された遺伝子の荷物を抱え込むことが多い。余分な遺伝子は、自由に変異して新たな特徴を生み出し、進化の速度を速める。今回の研究では、松、ヒノキ、セコイア、銀杏、ソテツなどの種子植物である裸子植物の進化の歴史において、このような複製イベントが極めて重要であったことが明らかになった。本研究は、現代の裸子植物の祖先が、3億5千万年以上前にゲノム重複を起こしていたことが、裸子植物の起源に直接貢献した可能性を示すものだ。その後のゲノム重複は、これらの植物が劇的に変化する生態系の中で生き残るための革新的な形質の進化の源となり、過去2,000万年の間に最近復活した植物の基礎を築いた。本研究は、2021年7月19日にNature Plantsにオンライン掲載された。この論文は、「裸子植物における表現型進化の大きな流れは、遺伝子の重複と系統的な対立にある（Gene Duplications and Phylogenomic Conflict Underlie Major Pulses of Phenotypic Evolution in Gymnosperms ）」と題されている。
フロリダ自然史博物館の博士課程を卒業したばかりで、本研究の筆頭著者であるGregory Stull 博士は、「進化の初期にこのような出来事があったことで、遺伝子が進化してまったく新しい機能を生み出す機会が生まれ、裸子植物が新しい生息地に移行したり、生態系の上昇に役立ったりする可能性があった」と述べている。
裸子植物に迫る
動物では2本以上の染色体を持つ「倍数体」は珍しいが、植物では当たり前の現象である。例えば、我々が食べている果物や野菜のほとんどは、近縁種同士の交配によって生まれた倍数体だ。小麦、ピーナッツ、コーヒー、オーツ麦、イチゴなど多くの植物は、DNAのコピーが複数に分かれていることで、成長速度が速くなり、サイズや重量が増加するというメリットがある。
しかし、これまでは、多倍体が裸子植物の進化にどのような影響を与えたかは不明であった。裸子植物は、植物界で最大級のゲノムを持っているにもかかわらず、染色体数が少ないことから、何十年もの間、科学者らは、裸子植物では倍数性はそれほど普及しておらず、重要ではないと考えていたのである。
裸子植物の遺伝学もまた複雑である。ゲノムが大きいため研究が難しく、DNAの多くは何もコードしていない反復配列で構成されている。
研究の共著者であるDouglas Soltis 博士（フロリダ博物館学芸員、フロリダ大学特別教授）は、「裸子植物のゲノムが複雑なのは、多くの繰り返し要素を蓄積する傾向があるようだ。イチョウやソテツ、マツなどの針葉樹には、ゲノムの複製とは関係のない繰り返し要素がたくさんある」と述べている。
しかし、Soltis 博士を含む植物生物学者たちが最近行った共同研究で、1,000以上の植物から大量の遺伝子配列を入手したことで、陸上植物の進化の長い歴史を解明しようとする科学者たちに新たな扉が開かれた。現在、中国科学院昆明植物研究所のポスドク研究員であるStull博士らは、これらのデータと新たに作成した配列を組み合わせて、裸子植物をもう一度調べてみた。
裸子植物はゲノム重複によって誕生した
研究チームは、生きている裸子植物のDNAを比較することで、過去にさかのぼり、主要なグループの起源に一致する複数の古代のゲノム重複イベントの証拠を発見した。
裸子植物は、その長い歴史の中で大きな絶滅を経験してきたため、その関係を正確に読み解くことは困難であった。しかし、現存するすべての裸子植物のゲノムには、3億5000万年以上前の遠い過去に行われた複製の痕跡が残っている。さらにその1億年以上後には、別の重複があってマツ科が誕生し、3つ目の重複があってポドカルプ（主に南半球に分布する樹木や低木のグループ）が誕生した。
いずれの場合も、複製されたDNAとユニークな形質の進化との間に強い関連性があることが分析で明らかになった。どのような形質が倍数性によって生じたのかを正確に特定するには、今後の研究が必要であるが、ソテツの卵のような奇妙な根に窒素固定細菌が生息していることや、現代の針葉樹に見られる多様な錐体構造などが候補として挙げられる。例えば、ポドカープの球果は高度に変化しており、まるで果実のように見えるとStull博士は言う。「彼らの球果は非常に肉厚で、様々な色をしており、様々な動物によって散布される。」
競争と気候変動がもたらした絶滅と多様化
Stull博士らは、ゲノムの重複が裸子植物の新種の進化の速度に影響を与えているかどうかも知りたかった。しかし、明確なパターンではなく、地球の気候が大きく変化していることを背景に、絶滅と多様化が複雑に絡み合っていることがわかった。
現在、約1,000種の裸子植物が存在しており、約30万種の顕花植物と比較すると多いとは言えないかもしれない。しかし、全盛期の裸子植物はもっと多様性に富んでいた。
恐竜が絶滅したことで知られる6,600万年前の小惑星絶滅イベントの前には、裸子植物はまだ繁栄していた。しかし、小惑星の衝突によってもたらされた劇的な生態系の変化が、その状況を一変させたのだ。恐竜が絶滅した後、花を咲かせる植物が裸子植物を駆逐し始め、その結果、花を咲かせる植物は大規模な絶滅に見舞われたのだ。完全に失われたグループもあれば、辛うじて現在まで生き残っているグループもある。例えば、かつて繁栄していたイチョウの仲間は、現在ではたった1種しか生き残っていない。
しかし、今回の研究結果によると、少なくともいくつかの裸子植物グループは、地球が冷涼で乾燥した気候に移行した約2,000万年前から復活したことがわかった。
共同執筆者であるフロリダ博物館学芸員でUF特別教授のPamela Soltis博士は、「裸子植物は単に減少し続けただけでなく、実際に種の数が多様化した時期があったことがわかり、その進化の歴史をよりダイナミックに描き出すことができた。」と述べている。
裸子植物の中には、気候変動と競争という2つの問題に対処できなかったものがある一方で、古代の顕花植物との競争に敗れた形質を持つことで、特定の生息地で優位に立つものもあった。マツ、トウヒ、モミ、ジュニパーなどのグループは新たなスタートを切った。
Pamela Soltis博士は、「裸子植物は、ある意味ではそれほど柔軟ではない。」と述べている。「彼らが多様化するためには、気候がより良好になるまで "待つ "必要があるのだ」。
いくつかの環境では、裸子植物は極端な環境での生活に適応した。北アメリカ南東部の松林では、ロングリーフパインが頻繁な火事で競争相手を焼き尽くすことに適応しているし、極北の北方林では針葉樹が優勢である。しかし、火や寒さがなくなると、花を咲かせる植物がすぐに侵入してくる。
裸子植物はまだ多様化の過程にあるが、人為的な環境の変化によって中断されてしまった。現在、気候変動や生息地の喪失などの影響により、40％以上の裸子植物が絶滅の危機に瀕している。今後の研究では、これらの植物がどのようにして現在まで存続してきたのかを明らかにすることで、将来的に存続させるためのより良い枠組みを提供できるかもしれない。
Stull博士は、「過去2,000万年の間に、一部の針葉樹やソテツのグループが大幅に多様化したにもかかわらず、多くの種は分布が非常に限定されており、絶滅の危機に瀕している。現在、絶滅の危機に瀕している多くの種を保全するためには、生息地の損失を減らす努力が不可欠であると思われる。」と述べている。
その他の共著者には、山東師範大学のXiao-Jian Qu氏、シカゴ大学のCaroline Parins-Fukuchi氏、中国科学院のYing-Ying Yang氏、Jun-Bo Yang氏、Zhi-Yun Yang氏、De-Zhu Li氏、Ting-Shuang Yi氏、ペンシルバニア州立大学のYi Hu氏、Hong Ma氏、ミシガン大学のStephen Smith氏が含まれている。
BioQuick News：DNA Duplication Linked to Origin and Evolution of Pine Trees And Their Relatives
