作物は細胞間で遺伝子モジュールを交換することによって進化した

穀物間の単一細胞配列を比較することで、植物を気候変動に適応させるために重要な農業形質についての手がかりが得られる

ニューヨーク大学の研究者らが主導した新たな研究によると、トウモロコシ、ソルガム、キビの個々の細胞を比較すると、これら重要な穀物間の進化的な違いが明らかになったという。

『Nature』誌に掲載されたこの研究結果は、干ばつ耐性などの重要な農業形質を制御する遺伝子の特定に研究者らを近づけることになり、気候変動に直面している科学者が作物をより乾燥した環境に適応させるのに役立つことになる。

トウモロコシ、ソルガム、キビは、世界中の人間や動物に食料を提供しています。 トウモロコシとソルガムは、およそ 1,200 万年前に 2 つの異なる種に進化した古代の親戚であり、キビはより遠い親戚です。

共通の祖先にもかかわらず、これらの作物には重要な特徴において大きな違いがあります。たとえば、ソルガムはトウモロコシよりも乾燥にはるかに耐性があり、植物は周囲の土壌とどのように相互作用するかを形作るために根から独特のネバネバ物質を放出します。 これらの違いは、トウモロコシがソルガムから分離された後に全ゲノム重複を受けることにまで遡る可能性があります。

「これらの作物の重要性、それらの進化的近接性、およびそれらの機能的差異は、遺伝子発現のパターンを細胞レベルで比較する刺激的な機会を提供します」とニューヨーク大学生物学部の博士研究員であり、この研究の筆頭著者であるブルーノ・ギロティン氏は述べた。 「これら 3 つの作物は似ていますが、それぞれがどのように異なるかが重要です。なぜなら、これらの作物には、干ばつ耐性など、ある作物から別の作物に移したいと思われる特性があるからです。」

研究者らは、トウモロコシ、ソルガム、キビの根の単一細胞mRNAプロファイリングを実施し、根を解剖して細胞を個別に観察し、特定の細胞のどこで遺伝子が発現しているかを正確に観察した。 次に、彼らは 3 つの作物にわたって同じ特殊化された細胞を比較しました。

「根は、干ばつと暑さに対する防御の最前線です。根は、多くの作動部品 (この場合は細胞の種類) を備えた機械であると考えることができます。したがって、水を集め、干ばつや暑さに対処するために機械がどのように機能するかを知ることができます。は本当に重要です」とニューヨーク大学生物学部およびゲノミクス・システム生物学センターの教授であり、この研究の主任著者であるケネス・バーンバウム氏は述べた。 「異なる種を比較することは、どの遺伝子が主要な農業形質につながるかを明らかにするのに役立ちます。」

研究者らは、さまざまな種で細胞がどのように進化し、分岐してきたかを調査する中で、時間の経過とともに細胞の「いじり」、つまり既存の要素の再配置を示すいくつかの傾向を特定した。 まず、細胞は進化の過程で、遺伝子発現モジュール、つまり協調した機能を持つ 10 個または 50 個の遺伝子のグループを細胞型間で交換することが多いことを観察しました。

「この遺伝子モジュールの交換は動物系で示されていますが、植物で大規模なレベルで示されたのは今回のデータが初めてです」とバーンバウム氏は付け加えた。

このモジュールの交換は、根が土壌に放出する栄養素が詰まったネバネバした物質であるルートスライムに関する発見で実証されました。 スライムは土壌を潤滑して根が通過できるようにするのに役立ち、植物を保護したり、入手困難な栄養素を提供したりする有益なバクテリアを引き付けることができます。

研究者らは、根粘液の生成に役立つ遺伝子が、トウモロコシ、ソルガム、キビの根のさまざまな部分に存在することを発見した。 ソルガムでは、粘液遺伝子が根の外側組織で見つかったが、トウモロコシでは、これらの遺伝子が根冠の新しい細胞型に交換された。これは、植物が窒素を獲得するのに役立つ細菌をトウモロコシが引き寄せることを可能にする進化的変化である可能性がある。 彼らはまた、作物に応じて異なる細胞型で切り​​替えられる他の遺伝子調節因子も特定し、特定の形質を伝える遺伝子をテストするための主要な候補を研究者に提供した。

さらに研究者らは、1,200万年前にソルガムから分裂した後のトウモロコシにおける全ゲノム重複が特定の種類の細胞に影響を及ぼし、トウモロコシ細胞の急速な特殊化を可能にしたことを発見した。 彼らはまた、特定の種類の細胞が新しい遺伝子のドナーとして機能する一方で、他の種類の細胞は新しい遺伝子の重複を収集しているように見えることも観察した。これは、遺伝子の重複が特定の細胞の進化を加速させたことを示唆している可能性がある。

単一細胞配列決定技術の最近の進歩により、この研究が可能となり、作物の遺伝子と細胞形質との関係を探索する新しい方法が開かれました。

「10年前、初期の単一細胞配列決定技術では、十数個の細胞しか分析できませんでした。今では、ごく日常的な実験で数万個の細胞をプロファイリングできるようになりました」とバーンバウム氏は述べた。

今後の研究では、これら 3 つの作物の単細胞が干ばつなどのストレスにどのように反応するかを比較する予定です。

「その反応こそが、干ばつ耐性にとって本当に重要な遺伝子セットを見つける鍵となるかもしれない」とバーンバウム氏は語った。

その他の研究著者には、ニューヨーク大学のラミン・ラーニ氏、カルロス・オルティス・ラミレス氏、スニル・ケンチャンマネ・ラジュ氏が含まれます。 ニューヨーク大学アブダビ校のモハメッド・アティークル・モハメド氏。 コールドスプリングハーバー研究所のマイケル・パサラクア氏、シャオサ・シュー氏、デビッド・ジャクソン氏。 カリフォルニア大学リバーサイド校のサイモン・C・グローエン氏。 そしてトロント大学のジェシー・ギリス氏。 この研究は、国立科学財団 (IOS-1934388)、国立衛生研究所 (R35GM136362)、およびヒューマン フロンティア オブ サイエンス (LT000972/2018-L) から資金提供を受けました。