レッドウッドの遺伝学を解き明かす：巨木と巨大ゲノムの秘密
北カリフォルニアの沿岸には、現実の巨人ともいえる木々が立ち並んでいます。レッドウッド（セコイア）は、レッドウッド国立公園や州立公園を訪れる人々を圧倒する、象徴的な巨大な針葉樹です。一度その姿を目にすると、これらの驚異的な光合成生物が世界中から人々を引きつける理由がすぐにわかります。何しろ、人間は「最大のもの」に魅了されがちです。しかし、レッドウッドの特徴はその高さだけではありません。そのゲノムサイズは、人間のゲノムの約8倍もあるのです。
これらの巨木に惹きつけられるのは観光客だけではありません。カリフォルニア大学バークレー校の遺伝学者たちもその一員です。ただし、彼らの興味は木の上部ではなく、ユニークなゲノム構造とそれが未来における種の生存にどう関与しているかという点にあります。気候変動という存在的な脅威のもと、レッドウッドのゲノムはすでに変化しつつある可能性があります。しかし、巨木の頂上を見るのが難しいのと同様に、その巨大なゲノムを研究するのも容易ではありません。
そびえ立つ巨木
カリフォルニア州の州木であるコースト・レッドウッド（セコイア・センペルヴィレンス）は、世界で最も高く成長する樹種であり、その高さは90〜105メートルにも達します1。その中で最も大きなものが「ハイペリオン」と呼ばれています。この名前は、ギリシャ神話の光のタイタンに由来し、「上から見下ろす者」または単に「高い者」を意味します2。高さ約116メートルのハイペリオンは、地球上で最も高い生物であり、その年齢は600〜800歳と推定されています3。
比較のために言えば、これは自由の女神の地面から松明までの高さの約500%の年齢、約25%の高さに相当します。今日までに、この高さを超える像は地球上に2つしかなく、どちらも2008年以降に建設されたものです。
しかし、カリフォルニアのこの「太陽のタイタン」を見たいと思っても、簡単にはかなわないでしょう。ハイペリオンは、北カリフォルニアの密林地帯の道なき場所にあり、アクセスが非常に難しいのです。さらに、国立公園管理局は観光による破壊からこの木を保護し、長く生き続けられるように注意深く管理しています。しかし、ハイペリオンでさえ、変化する気候の影響を免れることはできません。
変わりゆく北カリフォルニアの気候
レッドウッドは北カリフォルニアの狭い地域にしか生息しておらず、特定の重要な生態的ニッチを占めています。そのため、水不足など気候変動による影響を特に受けやすいのです。その巨大な体を維持するために、1日に約160ガロン（約605リットル）の水を消費します4。夏の乾燥期には、特に霧に頼って水を確保しており、年間水分摂取量の約40%を葉を通じて捕集します。幸運なことに、北カリフォルニアではこれまで霧が豊富にありました。しかし、一部の予測によれば、この地域の霧のパターンが変化する可能性があります。そうなった場合、この伝説的な木々は進化的なメカニズムを使って生き延びることができるのでしょうか？
レッドウッドゲノムの構造と生存
レッドウッドや同様の植物が変化する生態系でどのように生存・適応できるのかを理解するためには、分子構造とゲノム多様性を研究する必要があります。これにより、レッドウッドの進化と気候変動との関係を解き明かすことができます。
まさにその目的で、カリフォルニア大学バークレー校の大学院生アレクサンドラ（サーシャ）・ニコラエワ氏が研究を開始しました。ニコラエワ氏とそのチームは、レッドウッドの分布範囲全体からサンプルを収集し、個体群構造を調べ、ゲノム多様性を探求しています。
特にニコラエワ氏は、染色体のコピー数がレッドウッドの生存に重要であると考えられていることから、その分布範囲内で倍数性の違いがあるかどうかに興味を持ちました。「コミュニティがレッドウッドがあの地域で生き残れる理由の一つとして考えているのが、そのゲノムの独特な構造です。レッドウッドは六倍体の針葉樹で、染色体が6セットあります。倍数性は植物では珍しくありませんが、針葉樹では非常に稀で、ほとんどが二倍体です」とニコラエワ氏は述べています。
❝レッドウッドが生き残れるのは、そのユニークな倍数体ゲノムのおかげかもしれない❞
多倍体植物であることには、ニッチ適応に影響を与える利点と欠点があります。たとえば、多倍体植物は「細胞が大きくなります。これには蒸散を制御する気孔細胞も含まれます。気孔細胞は植物の呼吸要素であり、食物合成のためにCO2を取り込む役割を果たします。レッドウッドの場合、この気孔細胞は最も近い二倍体の親戚であるジャイアントセコイアの気孔細胞よりも大きいのです。」
倍数性の一種である「異数性」は、彼らのゲノム調査の主要なターゲットの一つとなりました。ニコラエワ氏によれば、「異数性とは、ゲノム内の総染色体数が変化することを指します。時折、染色体が失われたり追加されたりして、レッドウッドではその染色体が7セットまたは5セットになることがあります。」染色体の追加や減少は、レッドウッドの適応力を向上させる可能性があります。
この現象が適応にどのような影響を与えるのかを理解するために、チームはまずコーストレッドウッドで異数性がどの程度発生しているのかを明確にする必要がありました。しかし、これほど大規模なゲノムを対象に倍数性を調査するには、数多くの課題を克服しなければなりませんでした。
巨大かつ未解明なゲノムを研究する複雑さ
🧬 レッドウッドゲノム研究の課題
コーストレッドウッドのゲノムを研究しようとする研究者には、多くの課題が待ち受けています。主な課題には以下のようなものがあります：
- レッドウッドの特異的に大きなゲノムを解析するためには、大量のデータを生成する必要があり、それを処理するために膨大な計算資源が求められる。
- 大きなゲノムには、しばしば繰り返し配列が多く含まれ、それがデータ解釈を複雑にする。
- コーストレッドウッドの多倍体ゲノム構造により、染色体コピー数の変化を特定するのが困難である。
- 従来のモデル生物ではないため、レッドウッドの研究を支えるための確立されたリソースが少ない。
カリフォルニア大学バークレー校の研究者たちが、ターゲットシーケンシングアプローチを活用してこれらの課題を克服している方法について詳しくはこちらをご覧ください。
レッドウッドの倍数性の多様性を調査するのは容易ではありません。その理由の一つは、レッドウッドのゲノムが針葉樹としても非常に大きいことにあります。最近の推定によれば、コーストレッドウッドのゲノムサイズは、最も近縁のジャイアントセコイア（Sequoiadendron giganteum）やメタセコイア（Metasequoia glyptostroboides）の約3倍にも達するとされています。
大きなゲノムを解析するには、膨大な計算資源が必要です。また、植物のゲノムが大きくなるほど、繰り返し配列が増える傾向があり、それが特定の遺伝子の位置を決定するのを難しくし、正確なアセンブリを行う際の課題を増大させます。
しかし、ゲノムサイズの大きさだけが課題ではありません。染色体コピー数が多いこと自体が解析を複雑にします。「二倍体生物と比べて、多倍体で異数性を研究するのははるかに難しいのです。二倍体では染色体が減少すると1組の半分が失われますが、多倍体では1本の染色体コピーが全体の中でごく一部に過ぎません。」つまり、相対的な変化が小さいほど、染色体コピー数の変化を検出するのが難しくなるのです。このため、コーストレッドウッドのように大きな多倍体ゲノムを持つ種では、染色体数を正確に特定するのが非常に難しいのです。
❝倍数体の異数性を研究するのは、２倍体の生物に比べてずっと難しい❞
さらに複雑さを増す要因として、レッドウッドは従来のモデル生物ではないことが挙げられます。人間やげっ歯類のように広く研究されている種と異なり、レッドウッドの研究を効率的かつ質の高いものにするためのツールや試薬はほとんど整備されていません。そのため、ゲノム解析などの実験を進める際の障壁が高くなっています。
TwistのカスタムNGSパネルを活用しての研究
この課題を克服するため、ニコラエワ氏の共同研究者であるリディア・スミス氏（カリフォルニア大学バークレー校進化遺伝学研究室のラボマネージャー）は、Twistの次世代シーケンシング（NGS）製品を提案しました。
最終的にニコラエワ氏とスミス氏は、Twistが提供するカスタムNGSパネルとターゲットエンリッチメント試薬を用いて、レッドウッドのゲノム多様性を調査しました。「この選択は私たちにとって大きな転機でした。エクソームシーケンシングを使うのはコスト的に難しいと考えていましたが、Twistのサポートのおかげで実現しました。制限部位関連DNAシーケンシング（RADSeq）を採用するしかないと思っていたのです」とニコラエワ氏は語ります。
Twistのカスタムソリューションとバイオインフォマティクスサポートのおかげで、チームはコーストレッドウッド全域で倍数性の違いを解明し観察できるシーケンス結果を収集する方法を開発することができました。スミス氏はこう述べています。「もしサーシャがRADSeqデータを集めていたら、膨大なデータセットを解析するのに苦労していたでしょう。公開可能なデータにはなったとしても、実際のターゲット捕捉シーケンスを得られることで、研究の精度や適用できる統計手法、さらにはその後のデータ活用の幅が大きく異なります。」
参考文献
- “The Redwoods of Coast and Sierra.” Nps.gov, 2019, www.nps.gov/parkhistory/online_books/shirley/sec10.htm.
- Dhar, Rittika. Hyperion: Titan God of Heavenly Light | History Cooperative. 16 July 2022, historycooperative.org/hyperion-titan-god-of-heavenly-light/.
- Candide. “The Tallest Trees in the World.” Medium, 11 Sept. 2019, medium.com/@candidegardening/the-tallest-trees-in-the-world-4b7e90f7f910
- “Fog, Redwoods and a Changing Climate (U.S. National Park Service).” Www.nps.gov, www.nps.gov/articles/000/fog-redwoods-and-a-changing-climate.htm.
- “The Future of Fog.” Public Policy Institute of California, www.ppic.org/blog/the-future-of-fog/.
- Comai, Luca. “The Advantages and Disadvantages of Being Polyploid.” Nature Reviews Genetics, vol. 6, no. 11, 11 Oct. 2005, pp. 836–846, https://doi.org/10.1038/nrg1711.
- Neale, David B, et al. “Assembled and Annotated 26.5 Gbp Coast Redwood Genome: A Resource for Estimating Evolutionary Adaptive Potential and Investigating Hexaploid Origin.” G3 Genes|Genomes|Genetics, vol. 12, no. 1, 14 Dec. 2021, https://doi.org/10.1093/g3journal/jkab380.
- Claros, Manuel Gonzalo, et al. “Why Assembling Plant Genome Sequences Is so Challenging.” Biology, vol. 1, no. 2, 18 Sept. 2012, pp. 439–459, https://doi.org/10.3390/biology1020439.
