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バラのトゲ、ナス、砂漠のブドウは同じ遺伝的基盤を持つ | 科学

4億年以上前、バラの祖先のような植物の中には、草食動物から身を守るための戦略、つまりトゲを発達させたものがあった。果実、葉、茎から突き出たトゲは、非常に効果的だったため、植物界全体に広がった。これにより、動物の生活は困難になったが、後には、トゲは植物にとっても生活が困難になった。 人間は様々な家畜化の過程を経て現在、スペイン人を中心に世界中から集まった科学者の大集団が、これらのトゲや棘の背後にある遺伝子を特定した。彼らは、トゲのあるナス、バラ、そして珍重されるが収穫すらほとんど不可能な果物からその遺伝子が除去されていることを確認した。この発見は、すでに栽培されている種を改良し、これまで考えられなかった他の種を利用することで、想像力の扉を開くものである。この物語はバレンシアのナスから始まります。バレンシア工科大学（UPV）のバレンシア農業多様性保全改善大学研究所では、何年にもわたってナスの遺伝子の改良に取り組んできました（ナス科）。野生でもとげのないナスもいくつかあるが、ほとんどはとげがひどく、栽培されたもののほとんどは収穫してもスーパーに届かない。そこでとげのないナスに関心が集まっている。研究者らは交配を通じて、とげとげに関連する分子マーカーを特定し、その後、その原因となる可能性のある遺伝子を特定しようとした。とげの多い野生種ととげのない種を何度も交配した後、雑種をとげのない親と交配したところ、半分はとげがあり、もう半分はとげがない、完璧な1対1の分離が見られ、遺伝的根拠が確認された。これらの交配の1つから、研究者らは約700本の植物を自家受粉させ、遺伝子が存在する領域を絞り込むことに成功した。「ちょうどその頃、オンラインセミナーで、コールド・スプリング・ハーバー研究所（米国）のネオ家畜化の分野で研究する研究者と知り合ったんです。 [los planes modernos para domesticar especies aún silvestres]「もしあなたが興味を持っている植物にトゲがあったら、まずそれを取り除く必要があります」と、UPVのバイオテクノロジストで、この研究の責任者の一人であるジェイム・プロヘンス氏は言う。 この野心的な研究は、ジャーナルに掲載された 科学ナスの棘の原因であると特定された遺伝子は、植物細胞の分裂と分化に重要な役割を果たす植物ホルモンであるサイトカイニンの発現に関与している。いくつかのとげのある植物: 上、左側はサハラ以南のナス、グボマ。右側は赤いとげのある葉。下、左側はナランヒラの葉、中央はデビルズアップルの茎、左側はセイバの幹。ザカリー・リップマンナスは属に属します ナスジャガイモやトマトに見られるのと同じ遺伝子です。しかし、穀物からバラまで、生命の木のとげとはかけ離れた多くの他の属にもとげが見られます。ここで、コールド・スプリング・ハーバー研究所 (CSHL) の研究者と、他の植物属の他の主要グループの植物学者が登場します。彼らは、西アフリカ、ユカタン半島 (メキシコ) などの遠く離れた地域に生育するナスの遠縁の植物、および南アメリカ原産の野生のルロの一種で、この遺伝子の役割を確認し始めました。これら 3 つはすべて、ナスで特定された同じ遺伝子に変異があります。他の研究を参考にして、彼らは類似遺伝子（ホモログ）の変異も、イネやオオムギなどの多くのイネ科植物におけるトゲのある突起の消失と関連しているようだと確認した。そして彼らは最終的にバラにたどり着いた。これらの中には、ウィチュラ・ローズブッシュのようにトゲのないものもいくつかある。ここでも、トゲがないことは同じ遺伝子の変異と関連しているようだ。これを確認するために、フランスを拠点とする別の科学者グループが、遺伝子編集技術を使用して、非常にトゲの多い栽培品種であるチャイニーズ・ローズで目的の遺伝子をサイレンシングした。その結果、新しいバラブッシュのほとんどにトゲがほとんど生えなくなった（写真参照）。さらに進んで、今度はアメリカの別のチームが、 CRISPR遺伝子のカットアンドペースト 砂漠のブドウから棘を取り除くために（ナス科）、オーストラリアの先住民アボリジニは、その印象的な棘にもかかわらず、何千年もの間レーズンとして食べており、栽培化する方法を探しています。CSHL の研究者であるザカリー・リップマン氏にとって、私たちは数百万年前に分岐し、最終的に同様の問題に対して同じ解決策を見つけた種の間での進化の収束の最も偉大な事例の 1 つに直面しています。これは、チャールズ・ダーウィンが進化論で、同様の選択圧に直面した場合、遠く離れた種が独自に同様の適応を発達させることができると仮定した際の偉大な貢献の 1 つです。ダーウィンが知らなかったのは、「棘の場合、その遺伝的基礎は、棘が生じた種に以前からすでに存在していたようです」と、この共同研究の主任著者であるリップマン氏は言います。この発見がもたらす潜在的影響は計り知れない。その一つは、共著者でもあるバレンシア工科大学のピエトロ・グラマツィオ氏が「基礎科学」と呼ぶものだ。「ほとんどのモデル種には棘がありません」と彼は回想する。 シロイヌナズナタバコ、トマト、ペチュニアなどの植物が植物研究にとって重要なことは、動物研究におけるマウス、ラット、マカクザルと同じである。そして、それらの植物には棘がない。「バラは別として、他の重要な作物、他の最も重要な経済的作物、またはモデル植物には棘がなく、それが影響している」と彼は付け加える。まるで科学者が何十年も片方の目を覆っているかのようだ。トゲの遺伝的根拠の発見は、農業の多くの分野を活性化させる可能性がある。ジェイム・プロヘンス氏は、「もはやあなたや消費者が刺されるだけではなく、トゲのある果物自体が包装時に互いに刺され、多くの損失を生むのです」と回想する。さらに重要なことは、「トゲのない品種の開発がはるかに効率的になり、これまでは不可能だった、トゲが多く栽培不可能だったために試みることさえできなかった新しい種の栽培化も促進されるだろう」と同氏は付け加える。CSHLのリップマン研究室の博士研究員、ジャック・サターリー氏は、ウイルスを使ってとげの遺伝子をサイレンシングすることで、フランスのINRAEの研究者らが、とげのあるさまざまなバラ（右）のとげを最小限に抑えることに成功した（左）。モハメッド・ベンダマン/INRAE、CNRS、エリザベス・ケロッグは、米国のドナルド・ダンフォース植物科学センターの上級研究員です。彼女はこの研究には関わっていませんが、レビューする機会を得ました。彼女にとって、「この研究は、これまではトゲがあるために好ましくないと考えられていた種から新しい作物を生産する道を開くものです」。しかし、彼女が何よりも強調するのは、発見したことから、原因となる突然変異の修正または削除は、遺伝子が持つ可能性のある他の機能には影響を及ぼさないようだということです。「編集は、その効果が非常に正確であるため魅力的です。潜在的な作物は分解されますが、それ以外は変わりません」とケロッグは言います。まだ不明な点が数多くあります。そのうちの 1 つは、上級著者のリップマン氏が指摘しているとおりです。「棘を得るのは簡単なように思えるにもかかわらず、他の種が棘を発達させていない理由がまだわかっていません。」さらに、棘には形状、特にその起源に応じて多くの種類があり、遺伝的基盤がそれらすべてで同じであるかどうかを判断する必要があります。さらに、サボテンの棘のように、棘であるにもかかわらず棘ではない棘もあります。ノートルダム大学のタイラー・カバーデール教授は、植物のあらゆるタイプのトゲの研究に多くの研究を費やしてきました。「草食動物がいなかったら、この世界にトゲのある植物があっただろうかと考えるのは、興味深い思考実験です。しかし、トゲのある植物の系統の多くが、哺乳類の草食動物の出現に応じて多様化したため、少なくともトゲやスパイク、棘のある植物ははるかに少なくなるだろうと示唆する証拠はたくさんあります。」実際、アフリカのサバンナで行われたいくつかの研究では、植物食動物が多い場所では、トゲのある種の多様性が増すことが示されています。しかし、カバーデールは、こうした物理的防御は他のニーズを満たすために生まれた可能性もあるとすぐに指摘する。「それらは、木登り、温度調節、水分損失の最小化に役立つ可能性がある」と彼は言う。巨大なスイレンであるビクトリア・アマゾニカのような種は、その棘を使ってライバルを追い払う。穀物では、棘は鳥の脚についた種子を捕らえ、拡散を促進する。そして、もう 1 つの大きな棘のあるグループであるサボテンがある。「それらは興味深い事例であり、多くの人が、草食ではなく水ストレスに反応して進化した棘の証拠としてそれらを指摘しています」と、このアメリカ人研究者は回想する。そして、事実は、「サボテンの棘は非常に小さな葉であり、もしそれが温帯気候の植物で私たちが慣れ親しんでいる葉にもっと似ていたら、砂漠では大量の水分損失にさらされるでしょう」。しかし、彼は、「棘は、それを食べる動物や、幹に穴を開けてサボテンに巣を作る鳥に対する防御目的にも役立ちます」と付け加えている。これらすべてを踏まえて、コブデールはナスから始まった研究の重要性を強調する。「経済的にも生態学的にも重要なこの属の棘の根底にある遺伝的メカニズムについて彼らが得た知識は大きな進歩であり、おそらく多くの素晴らしい後続研究のきっかけとなるだろう。」フォローできます マテリア で フェイスブック、 バツ e インスタグラムまたはこちらから登録して…