世界で人気のカフェイン飲料「マテ茶」のゲノム解析で、カフェイン合成の進化に新たな知見
マテ茶（イレックス・パラグアリエンシス：Ilex paraguariensis）は、紅茶やコーヒーと並び、世界で最も人気のあるカフェイン飲料のひとつです。南米では広く消費されており、この驚くべき植物は多様な生理活性化合物を豊富に含んでおり、さまざまな健康効果をもたらすとされています。このたび、国際的な研究者チームがマテ茶のゲノムを解読し、カフェインの生合成に関する新たな知見を得ました。この情報は、特性の異なる新品種の開発に活用できる可能性があります。この研究はブエノスアイレス大学を中心に行われ、欧州分子生物学研究所（EMBL）ハンブルク支部や、アルゼンチン、ブラジル、アメリカ合衆国の複数の研究機関の科学者らも参加しました。成果は2025年1月8日付で『eLife』に掲載され、論文タイトルは「Yerba Mate (Ilex paraguariensis) Genome Provides New Insights Into Convergent Evolution of Caffeine Biosynthesis（マテ茶（Ilex paraguariensis）のゲノムが示すカフェイン生合成の収束進化に関する新たな知見）」です。
マテ茶におけるカフェインの進化
マテ茶の遺伝的特性を明らかにするため、科学者らはゲノム解析を用いました。これにより、植物の生化学的特性や進化の歴史、特にカフェイン生合成の進化に関する驚くべき事実が明らかになりました。
「マテ茶の祖先はおよそ5,000万年前にゲノムを重複させていたことを発見しました」と、今回の論文の筆頭著者であり、EMBLハンブルクのポスドク研究員であるフェデリコ・ヴィニャーレ博士（Federico Vignale PhD）は語ります。「この祖先的な重複が、マテ茶の代謝経路の複雑性の進化に重要な役割を果たし、テルペン、フラボノイド、フェノール類、キサンチン類などの生理活性化合物を合成する能力を獲得するのに寄与したと考えています。これらの化合物は、抗酸化作用、抗糖尿病作用、神経系刺激作用で知られています。なかでも、私は特にカフェインに注目しました。」
カフェインは、マテ茶やコーヒーなど、系統的に無関係な複数の植物種によって、それぞれの代謝経路を通じて生産されています。しかし、研究チームは、それらの経路に関わる遺伝子が独立して進化したことを突き止めました。
「我々は、これらの遺伝子が共通の祖先を持たないこと、つまり別々の起源から派生しており、マテ茶とコーヒーがカフェイン生合成能を獲得したのは、それぞれが収束進化した結果であることを詳細に理解するに至りました」と、研究リーダーであり、ブエノスアイレス大学理学部・生物化学研究所（IQUIBICEN, UBA-CONICET）のアドリアン・トゥルヤンスキ博士（Adrián Turjanski, PhD）は述べています。
マテ茶とコーヒーにおけるカフェイン合成の並行的進化は、この生合成機構が植物の生存において重要な役割を果たしている可能性があることを示唆しており、防御機構として機能している可能性もあると考えられています。
構造解析、実験、バイオインフォマティクス解析を組み合わせた詳細な検討により、研究者らは、マテ茶に特異的なカフェイン生合成経路がコーヒーのそれとは異なるものであることを明らかにしました。
次世代のマテ茶への道を拓く
この発見は、マテ茶の進化の歴史を明らかにしただけでなく、その栽培法を進化させる可能性も示しています。
「ゲノムを読み解くことで、植物にどのように介入し、改良すればよいかが分かるのです」と、トゥルヤンスキ博士は語ります。「たとえば、カフェインを含まないマテ茶や、他の土地に適応しやすい品種を作ることも提案可能となり、その結果として栽培地を拡大することができるかもしれません。」
研究チームは、今回の研究成果を足がかりとして、マテ茶を専門に扱う他の研究グループが新たな研究を進められること、また、産業界が生産者を支援したり消費者の嗜好に応えるような新品種の開発を行えるようになることを強調しています。
ヴィニャーレ博士にとって、マテ茶は南米における科学的意義を超え、個人的な文化的意味をも持つ存在です。
「マテ茶は、私にとって故郷アルゼンチンの文化の中で最も美しい存在を象徴するものです――私たちを結びつけ、寄り添い、人生のあらゆる瞬間に共にある飲み物なのです」と彼は語ります。「だからこそ私は、この挑戦を即座に受け入れました。マテ茶のゲノムを解読することは、ある意味でリオネル・メッシ（Lionel Messi）のゲノムを解読するようなものだと感じたのです。」
大陸を超えた協力体制
このプロジェクトは、ブエノスアイレス大学理学部が主導し、EMBLハンブルク支部に加え、アルゼンチンのIQUIBICEN-CONICET（生物化学研究所）、ミシオネス国立大学、ノルデステ国立大学、ブラジルのヴァレ技術研究所、そしてアメリカ合衆国のイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校、西ミシガン大学、カリフォルニア大学デービス校の科学者らによって共同で行われました。
マテ茶におけるカフェイン生合成経路の解明において、EMBLハンブルクは構造モデリングおよび分子ドッキングを通じて重要な知見を提供しました。ヴィニャーレ博士および同僚のルーカス・デフェリペ氏（Lucas Defelipe）は、いずれもEMBLハンブルクのガルシア・アライチームに所属し、この解析において中心的な役割を果たしました。
「この経験を通じて、学際的な研究の真の価値を知り、さまざまな専門分野の科学者らと共に成長することができました。」とヴィニャーレ博士は述べています。
ヴィニャーレ博士がEMBLと初めて関わったのは、CABANAプロジェクトを通じてでした。これは、ラテンアメリカの国際コンソーシアムとEMBL-EBIが主導する共同プロジェクトで、英国のUKRIグローバル・チャレンジ・リサーチ・ファンド（UKRI Global Challenges Research Fund）によって資金提供されました。CABANAは、ラテンアメリカにおけるバイオインフォマティクス能力の強化と、開発途上国が直面する課題に対応するための研究支援を目的としており、感染症、持続可能な食糧生産、生物多様性保護という3つの世界的課題の解決に取り組んでいました。
ヴィニャーレ博士はこう締めくくります。「CABANAプロジェクトのおかげで、今回の研究に必要だったバイオインフォマティクスのスキルを強化できただけでなく、研究を完遂するための資金も得ることができました。」
画像；Yerba mate (Ilex paraguariensis)
[News release] [eLife article]
