水平伝播遺伝子から探る絶対寄生植物の宿主転換の歴史
History of host shift in a holoparasitic plant revealed by horizontal gene transfer（日本植物学会推薦）

代表研究者 京都大学

髙山浩司

Kyoto University

Koji TAKAYAMA

Oceanic islands are suitable for examining the evolutionary process of organisms because insular ecosystems
tend to be simpler and less harmonic than the mainland ones, and novel interactions between organisms have frequentlyevolved. Orobanche boninsimae is an holoparasitic plant endemic to the Ogasawara (Bonin) Islands. Our previous study
showed that individuals of O. boninsimae in the Chichijima Island were mainly parasitic to Ochrosia nakaiana(Apocynaceae) but those in the Hahajima Islands to Melicope grisea (Rutaceae). In addition, its most closely relatedspecies, O. coerulescens, in continental regions parasites to Artemisia capillaris (Asteraceae). These results indicated thatO. boninsimae had experienced drastic host shifts on the oceanic islands. In this study, we identified current-host species
in newly found populations and investigated horizontally transferred genes (HGT genes) from past-host species to reveal
the history of host shifts in O. boninsimae. By using DNA barcoding, I confirmed the difference of host species between
the Chichijima and Hahajima Islands. I obtained RNA-seq reads from three different tissues, bract, stem, and flower of O.
boninsimae in the two different islands. About 70,000 contigs for amino acid sequences of O. boninsimae were screenedby using reference transcriptomes/proteins from divergent angiosperm lineages, and finally, five genes were identified as
candidates for HGT genes.
研究目的

本研究では、小笠原諸島に固有な寄生植物シマウ

海洋島では、大陸における共存種が欠如しているツボ（Orobanche boninsimaei）に着目した。シマウツ

ことが多いため、海洋島に進出した生物同士の新たボはハマウツボ科の絶対寄生植物で、最近縁種はハな種間関係が結ばれることがある。海洋島に新たにマウツボ（Orobanche coerulescens）であることが確か

進出した生物間の関係性を紐解くことは、海洋島にめられている（Li et al. 2017）。ハマウツボが大陸のおける多様性の創出機構を理解する上で重要である。

砂浜海岸でキク科のヨモギ属植物に寄生しているの他の植物に全ての栄養を依存する植物を絶対寄生に対して、シマウツボは主にキョウチクトウ科のヤ植物と呼ぶ。絶対寄生植物が海洋島へ定着するためロード（Ochrosia nakaiana）とミカン科のオオバシロには、宿主となりえる植物が存在しなければならなテツ（Melicope grisea）に寄生している。すなわち、い。従って、海洋島への定着のためには、絶対寄生小笠原諸島への定着過程で、シマウツボは宿主植物植物は様々な宿主から栄養を摂取することがメリッを変化させた可能性が高いと考えている（Nishimura

トとなる。一方、進化的時間スケールの中で、宿主

et al. 2020）。また、これまでの研究でシマウツボは小の防御をかいくぐり、効率的に栄養摂取を摂取する

笠原諸島内の父島と母島では宿主植物が異なっておためには、特定の宿主への特異性を進化させた方がり、父島ではヤロード、母島ではオオバシロテツに生存に有利となるだろう。このような進化的背景の寄生していることが知られている。従って、シマウ

もと、絶対寄生植物は宿主特異性を変化させてきたツボは海洋島への進出時のみならず、島間でも宿主と考えられるが、実際に寄生植物の宿主特異性の変植物が変化しており、種内での寄生植物の宿主特異遷過程を調べた研究はほとんどなく、種内での変遷性の変遷過程を調べる上で、優れた研究対象である過程に着目した研究は皆無である。と考えられる。

本研究では、シマウツボにおける宿主転換の歴史

2. 現在の宿主植物の同定の全貌解明に向けて、現在の宿主植物ならびに宿主シマウツボは十数メートル離れた場所に生育する植物から寄生植物への遺伝子の水平伝播の実態を網宿主植物の根に寄生していることもあり、根を全て羅的に探索することを計画した。宿主植物の核内に掘り起こし宿主植物にたどり着くことや、根の形態ある遺伝子が、寄生植物に水平伝播していることは、のみで宿主を同定することは極めて困難である。そハマウツボ科のストライガで初めて明らかとなりこで、新たに採集した宿主植物の根について、DNA（Yoshida et al. 2010）、それ以来、他のハマウツボ科バーコーディングによる宿主植物の同定を行った。の植物でも発見が相次いでいる（Sun et al. 2016; Kado

先行研究（Nishimura et al. 2019）で有効性が確かめら& Innan 2018）。本研究では、現在の宿主植物の同定れている葉緑体 DNA の trnH-psbA 領域の約 500 塩基に加えて、過去の宿主植物の痕跡として水平伝播遺対を PCR-ダイレクトシーケンス法により決定し、伝子を捉えることを目的とする。

DNA データバンクに登録されている塩基配列と相同性検索を行うことで、宿主植物を決定した。

研究経過

塩基配列比較の結果、父島で採集した個体はキョシマウツボの宿主植物の変遷過程を明らかにする

ウチクトウ科のヤロードに、母島で採集した個体はために、1. 小笠原諸島での野外調査、2. 現在の宿主ミカン科のオオバシロテツに寄生していることが明植物の同定、3. RNA-seq による水平伝播遺伝子の網らかとなった。新たに発見した個体群の周囲には、羅的探索を計画した。各項目の研究経過は以下の通

父島ではオオバシロテツを含む他の種が、母島ではりである。

ヤロードを含む他の種が生育していたにも関わらず、島ごとに宿主が違うことが確認できた。

1. 小笠原諸島での野外調査
2019 年までの調査で、父島 8 箇所、母島 3 箇所で3. RNA-seq による水平伝播遺伝子の網羅的探索個体群を確認していた。2020～2021 年の調査で、新宿主植物とシマウツボの間での水平伝播遺伝子のたに父島で 3 か所、母島で 1 箇所の個体群を発見す存在を調べるために、RNA-seq による発現遺伝子のることができた。新たに発見した個体群から、シマ網羅的配列比較を計画した。野外で採集した試料かウツボならびにその宿主植物の根の一部を採集し、ら、ISOSPIN Plant RNA with Assist Buffer（ニッポン・宿主植物の同定に用いた（Fig. 1）。

ジーン）を用いて RNA を抽出し、日本ジーンウィズ

RNA 解析用に父島および母島でシマウツボの茎、とマクロジェンで RNA-seq を実施した。

苞、花の各器官と現在の宿主植物であるヤロードとTrinity を用いて、RNA-seq の塩基配列データからオオバシロテツの葉を採集し、RNA 保存液に浸漬後、転写産物の新規アッセンブルを実施した。今回の対実験室に持ち帰った。加えて、京都府京丹後市から

象種は同属内近縁種のリファレンスデータが存在し近縁種のハマウツボの茎、苞、花の各器官を採集し、ないため、リファレンスは用いずに新規にコンティ同様の方法で保存した。

グを作成した。得られたコンティグのうち、300 塩基対以上からなる約 9 万のコンティグを以降の解析に使用した。
得られた転写産物データの網羅性を確かめるために、BUSCO による遺伝子数のカウントを行った。真
正双子葉植物のコア遺伝子 2326 個の中で、シマウツ
ボとハマウツボの各組織では約 70～79%のコア遺伝子が検出された（Fig. 2）。苞、茎、花から得られたデータを結合した場合でも、コア遺伝子数の割合に大きな変化はなかった。一方、ヤロードとオオバシロ
テツの葉から抽出した RNA のみを解析に用いたが、真正双子葉植物の約 90%のコア遺伝子を検出するこFig. 1 Orobanche boninsimae in the Chichijima Island.とができた。

子群の検出を行った。これにより得られたアミノ酸

シマウツボ （苞、父島、宿主ヤロード）
シマウツボ （茎、父島、宿主ヤロード）

配列を相同遺伝子群にまとめ、各遺伝子系統樹を作

シマウツボ （花、父島、宿主ヤロード）

成することができる。解析には blastp 検索に用いた

シマウツボ （全組織、父島、宿主ヤロード）

全ての種の全てのアミノ酸配列データを含めた。そシマウツボ （苞、母島、宿主オオバシロテツ）
シマウツボ （茎、母島、宿主オオバシロテツ）の結果、68,821 個の相同遺伝子群が検出され、各遺シマウツボ （花、母島、宿主オオバシロテツ）

伝子群の遺伝子系統樹を取得することができた。

シマウツボ （全組織、母島、宿主オオバシロテツ）

ハマウツボ （苞、京丹後、宿主カワラヨモギ）

Orthofinder で作成した遺伝子系統樹の中で、blastp

ハマウツボ （茎、京丹後、宿主カワラヨモギ）

検索の結果、水平伝播遺伝子の候補となったアミノハマウツボ （花、京丹後、宿主カワラヨモギ）

酸配列を含む系統樹 74 個について、その樹形の確認

ハマウツボ （全組織、京丹後、宿主カワラヨモギ）を行った。樹形を A～C の 3 通りに大別し（Fig. 3）、ヤロード（葉、父島）

水平伝播遺伝子とは判断できないものが 4 個（A）
、オオバシロテツ（葉、母島）

Complete and single-copy BUSCOs (S)Fragmented BUSCOs (F)水平伝播遺伝子の可能性があるものが 12 個（B）
、ど0%

20%

40%

60%

80%

Complete and duplicated BUSCOs (D)Missing BUSCOs (M)100%

Fig. 2 BUSCOs scores in the transcriptome assembles.

ちらとも判断ができないものが 58 個（C）となった。
AB
その他の種

次に、水平伝播遺伝子候補の絞り込みのための相その他の種
水平伝播の元になった種
シマウツボ

同性検索を実施した。今回は検索対象の分類群をできるだけ広くするために、アミノ酸配列を用いることにした。Trinotate および TransDecoder を用いて、転写産物のデータをアミノ酸配列に変換した。シマストライガ

ストライガ

ハマウツボ

ハマウツボ

シマウツボ

（シマウツボ）ウツボから得たアミノ酸配列データが多種のアミノ

Fig. 3 Expected gene tree. A, species tree; B, typical gene

酸配列データとどの程度類似しているのかを調べる

trees expected for horizontal gene transfer genes.

ために、blastp を用いた相同性検索を行った。相同性検索の対象として、シマウツボに最も近縁な種であOrthofinder の相同遺伝子群のうち、水平伝播遺伝るハマウツボと現在の宿主であるヤロードとオオバ子の可能性がある 12 個の遺伝子について、DNA デ

シロテツの 3 種の他、被子植物の系統を広く網羅すータベースに登録されている全情報との相同性検索

るように他 9 種（クスノキ科の 1 種 Cinnamomumを行った。相同性検索にはアミノ酸配列とそのもとmicranthum、ナツメヤシ Phoenix dactylifera、ササゲとなった塩基配列を使用した。その結果、7 個の遺伝

Vigna unguiculata 、 シ ロ イ ヌ ナ ズ ナ Arabidopsis

子はハマウツボ科の植物と少なからぬ類似性を示し

thaliana、オレンジ Citrus sinensis、ツバキ Camellia

たため、水平伝播遺伝子の候補からは除外した。残sinensis、
レタス Lactuca sativa、
コーヒーCoffea arabica、りの 5 個の遺伝子のうち 3 個は既存データベースでストライガ Striga asiatica）を選んだ。

は高い類似性を示す配列が見つからず、2 個は相同性検索の結果、シマウツボで得られたアミノ60~70%にあたる部分配列がハマウツボ科以外の複酸配列のうち約 10%が、ハマウツボ以外の種と最も数の種と高い類似性を示すことが明らかとなった。

類似性が高いという結果を得た。これら 10%のアミ71877

アミノ酸配列のコンティグ数6674

ハマウツボ以外がトップヒットするコンティグ数 (blastp)

223

90%類似＆100アミノ酸以上のコンティグ数 (blastp)

74

相同遺伝子群の数 (orthofinder, orthologous group)12

水平伝播遺伝子候補の数 (orthofinder, gene tree)5

水平伝播遺伝子最終候補の数 (NCBI blast)

ノ酸配列の中には、ハマウツボでアミノ酸配列が得られなかったものや、部分配列の一致度の高さでハマウツボ以外の種との高い類似性が検出されたものも含まれていると想定される。そこで、ハマウツボ以外の種と高い類似性を示すアミノ酸配列の中から、100 個以上のアミノ酸からなり、かつ 90%以上の類似性を示すアミノ酸配列約 200～250 個を水平伝播遺伝子候補として扱うことにした。
blastp 検索と平行して、Orthofinder による相同遺伝

Fig. 4 Screening scheme for horizontal gene transfer genes.

考察での検証に現在は留まっている。確実に水平伝播遺今回の調査で、新たに父島と母島にて新規に 4 個伝子であると断言するためには、データ取得後の解体群を発見することができた。シマウツボは小笠原析手法の改善と深化が必要であると考えている。さ諸島にのみ生育する固有種で、環境省レッドリスト

らに、今後は小笠原諸島の森林を形成する主要樹種

でも絶滅危惧 IA 類に指定されている絶滅危惧植物に関して、網羅的に RNA-seq のデータを取得し解析であるため、本情報は保全上重要なデータとなる。に含めることで、解析の精度だけでなく具体的な過RNA-seq の結果、全寄生植物であるシマウツボや去の宿主植物の洗い出しができると期待している。

ハマウツボの地上部の組織（茎、苞、花）では、真正寄生植物から宿主植物へ水平伝播している可能性

双子葉植物のコア遺伝子の 7 割程度しか検出できながある遺伝子もいくつか見つかってきた。最終候補かった。ヤロードやオオバシロテツの解析では、葉の 74 個の遺伝子系統樹のうち、13 個の遺伝子系統組織のみを使ったにも関わらず、90%以上のコア遺樹はシマウツボから現在の宿主に遺伝子が水平伝播伝子が検出できている。シマウツボやハマウツボでしていると解釈しても矛盾がない樹形を示している。

7 割程度しか検出できなかった要因として、地下部

今後は、双方向の水平伝播の可能性を考慮した上で、組織（根や吸器、種子）において特異的に発現して水平伝播遺伝子の探索を行っていきたい。

いる遺伝子が多い可能性が考えれる。また、シマウツボはゲノムサイズが大きいため（6.7 Gb, Li et al.

参考文献

2019）
、一部の遺伝子では計算上コンティグが形成で

1.

Kado and Innan, Horizontal gene transfer in five

きなかったのかもしれない。さらに、シマウツボや

parasite plant species in Orobanchaceae, Genome

ハマウツボでは、寄生生活を送るために光合成や代Biology and Evolution, 10, 2018.

謝に関連した遺伝子が大きく変化したり、欠如した2.

Li et al., Molecular and karyological data confirm that

りして、他の真正双子葉植物で見られるようなコア

the enigmatic genus Platypholis from Bonin-Islands

遺伝子を持っていないという可能性も考えらえる。

(SE Japan) is phylogenetically nested within

今後は、地下部の組織から作出した RNA-seq データ

Orobanche (Orobanchaceae). Journal of Plant

を解析に加えるとともに、各遺伝子の機能に着目しResearch, 130, 273-280, 2017.てコア遺伝子の在不在を確認することが必要である。

3.

水平伝播遺伝子の探索の結果、約 90,000 遺伝子座

Nishimuraetal.,DNA

Barcodingreveals

evolutionary changes in host specificity of a parasitic（アミノ酸のコンティグで約 70,000 個）の中から 5

plant, Orobanche個の遺伝子が最終候補として残った。同じハマウツ

endemic to the Bonin (Ogasawara) Islands, Pacific

ボ科のヤセウツボ（Orobanche minor）の先行研究

Science, 74, 87-97, 2020.

（Kado & Innan 2018）では、28,254 遺伝子座のうち4.

boninsimae(Orobanchaceae),

Yoshida et al., Horizontal gene transfer by the22 遺伝子座が水平伝播遺伝子の候補として挙げられ

parasitic plant Striga hermonthica. Science, 328, 1128,ている。ヤセウツボの研究では、水平伝播遺伝子の2010.

ソース候補をマメ科植物に限定することで、塩基配5.

Sunetal., Two hAT transposon

genes

were

列を用いた水平伝播遺伝子の絞り込みを行っている。

transferred from Brassicaceae to broomrapes and are

一方、本研究では、シマウツボの最近縁種の宿主植

actively expressed in some recipients. Scientific

物がキク科の植物であることや、現在の宿主もキョ

Reports, 6, 30192, 2016.

ウチクトウ科やミカン科の植物と系統的に多様であるため、できるだけ広範な相同性の検出ができるよ研究の発表

うに、アミノ酸配列を用いて解析を進めていった。

口頭発表

今回の研究で水平伝播遺伝子の可能性がある 5 個の1.

遺伝子を見出したが、そのうち 3 個は既存データベ
ースでは類似性を示す配列が見つからず、2 個も全

高山浩司：小笠原諸島の自然環境と固有植物、日本植物学会第 85 回大会、2021 年 9 月

2.

西村明洋、高山浩司：海洋島におけるハマウツボ

長配列ではなく 60~70%にあたる部分配列がハマウ属寄生植物の送粉者シフト、日本植物分類学会

ツボ科以外の植物と高い類似性を示すということま第 21 回大会、2021 年 3 月