平成３１年度白滝ジオパーク研究助成報告書
北海道大学大学院環境科学院 塩谷 悠希

研究課題名：「繁殖干渉が高山植物の分布・形質の変化に及ぼす影響」

1.

研究の背景

生物の分布や種分化のパターンは、種間相互作用に強く影響される。例えば近縁な生物種同士が接触するとき、相互に排除し合う分布パターンが生じやすいことが知られている 1。
このような排他的分布パターンは、近縁種が生態的に類似した特性をもつことにより、利用資

図 1：対象植物源をめぐる競争が激化することが原因で生じる

左：エゾイソツツジ(R. diversipilosum)と考えられてきた2,3。近年、資源をめぐる競争

右：ヒメイソツツジ(R. subarcticum)

だけでは野外生物の分布パターンを十分に説明できない可能性が指摘され始めている 4。生(https://www.go

物の分布パターンを決定する要因として、「繁ogle.co.jp/intl/ja殖干渉(Reproductive interference)」の重要さ/earth/を参照)が注目されている。繁殖干渉とは、「繁殖の過程で生じ、適応度を低下させるようなあるゆる種類の種間相互作用」を指す用語である 5。例
えば、被子植物の近縁種間で、異種花粉が柱頭を覆ってしまうことで同種の受粉が妨害されることや、異種花粉との受精により生育不良の雑種が形成されることなどは、繁殖干渉の一例である。繁殖干渉は、資源をめぐる競争よりもより急速に分布や形態の変化を引き起こす

図２：調査地ことが理論的に予測されている 6。しかし、繁殖上：⼤雪⼭系の位置干渉の実証研究は、一部の分類群や（一年生下：調査地の詳細な位置関係の草本植物や昆虫など）、在来種と外来種の(⻩⾊の範囲は遠軽町内を⽰す)関係などに限定されているのが現状である。

な環境の違いで植生がモザイク状に配列され木本植物や人為的撹乱の少ない場所での在るため 7、近縁種が隣接して生育しやすく、分来種間における繁殖干渉の実証研究は、これ布パターンや繁殖干渉の研究に適しているとまでほとんど行われていない。本研究は、野外考えられるからである。本研究の対象種には、で繁殖干渉を検証するために、高山生態系にツツジ科の低木であるエゾイソツツジ注目した。その理由は、高山生態系はわずか(Rhododendron diversipilosum)とヒメイソツツジ

2.2 相互排他的なパターンの検証(R. subarcticum)を選んだ(図 1)。両種の分布エゾイソツツジ・ヒメイソツツジ間に相互排他が重なる場所は、北海道の遠軽町、美瑛町、的なパターンが存在するかを検証するため、新得町などに限定される。これら地域の高山

以下のように 3 つの側面から生態特性につい帯の風衝地(尾根筋の吹きさらしの環境)では、ての種間比較を行った。最初に、2 種の形態両種がしばしば同所的に生育している様子が形質を比較した。各調査地で各種 20 個体をラ観察される。本研究は、高山帯で同所的に現ンダムに選択し、単位面積当たりの葉重量れる上記のツツジ科近縁 2 種について、形態(LMA)、葉の推定寿命(葉の生命表を作成する形質、微小スケールでの分布特性、開花時期ことで計算 11)、一年当たりの葉の総生産量、その調査によって両種の生態特性を比較し、そして体高を計測した。得られたデータを一般化の相互排他的なパターンを検証するとともに、線形モデル(GLM)を用いて解析した。

受粉実験や発芽実験を通して、周囲の異種個次に、種間の微小スケールでの分布が相互体が引き起こす繁殖干渉について検証するこ排他的かを検証するため、生育地利用調査をとを目的とした。

行った。この調査にあたって、風衝地に生育しているハイマツ(Pinus pumila)の被度に注目し2.

材料と方法た。ハイマツは高山帯で周囲の植生よりも植物2.1 対象種と調査地
エゾイソツツジは北東アジアに分布し、日本
では東北地方から北海道の低標高〜亜高山帯・高山帯まで幅広い標高に生育する種である 8。体高は 30-70 cm ほどで、わずかに自家図３：ベルトトランセクト法の図⽰和合性を持っており 9、倍数性は 4 倍体である(未発表データ)。一方ヒメイソツツジは、北東ア
ジアから北アメリカまで広く分布するが、日本では北海道の高山帯の風衝地環境にのみ生育している 8。体高は 20 cm ほどであり、自家和合性をもつかは不明だが、倍数性は 2 倍体とされる 10。両種は北海道の遠軽町や美瑛町などの高山帯に同所的に生育している。
調査は北大雪山系の 4 つの山域で行った(遠軽町の平山と天狗岳、上川町の武華山、新得

図 4：GLM による形態観察の⽐較結果町のヒサゴ山、図 2)。以下に示す各調査は、

左上：⼀年当たりの葉の総⽣産量

2018-2019 年に、各山域の高山帯(>1400 m)で右上：葉の推定寿命, 左下：体⾼

エゾイソツツジ、ヒメイソツツジの両種が同所的

右下：単位⾯積当たりの葉重量(LMA)に生育している場所で行った。

(確率分布：ガンマ分布*：P＜0.05, **：P＜0.01, ***：P＜0.001)

高が大きいため、周囲の植物を被陰し、風衝地の強光や紫外線、強風を緩和させる効果を持つ。そのため、ハイマツの被度の違いは、周囲の環境を変化させ、植物の分布パターンにも影響を及ぼすと考えられる。本研究は、以下で示すようなベルトトランセクト法を用いて生育地利用調査を行った。各調査地で、ハイマツの優占している場所を起点として、ハイマツの被度が少なくなる方向へ 5 つの 1 × 1 m2 コドラートを設置した(図 3)。そして各コドラート内のエゾイソツツジ、ヒメイソツツジ、ハイマツの被度を測定した。各調査地で 8-10 個の反復が行われ、得られたデータを一般化線形混合モデ

図 6：開花期調査の⽐較結果
左上：平⼭, 右上：武華⼭
左下：天狗岳. 右下：ヒサゴ⼭
エラーバーは標準誤差

ル(GLMM)を用いて解析した。
最後に、種間の開花特性の違いを検証するの開花花序数を記録した。

ため、開花時期調査を行った。この調査は各調査地で 3 回にわたって行った(6 月下旬、72.3 繁殖干渉の検証

月上旬、7 月中旬)。各時期で、6 つの 1 × 1

エゾイソツツジとヒメイソツツジの間で繁殖干

m2 コドラートをランダムに設置し、コドラート内渉が生じているかを検証するために、以下にに開花しているエゾイソツツジとヒメイソツツジ

示すような調査を行った。最初に、ヒサゴ山で受粉実験を行った。各種について、無処理、自家受粉処理(同一個体の花序内の花粉を受粉させ、自家和合性があるかを検証)、袋がけ処理(昆虫による花粉運搬なしで受粉するかを検証)、他家受粉処理(同種他個体の花粉を受粉させ、潜在的な結実能力を検証)、そして異種間受粉処理(異種の花粉のみを受粉させ、種間で交雑した時に結実するかを検証)の 5 つの処理を 6-20 個体ずつ行った。その後花序

図 5：GLMM による⽣育地利⽤調査の⽐較結果(確率分布：ガンマ分布, 応答変数：各種の被度, 説明変数：ハイマツの被度
ランダム効果：プロット, エラーバーは標準誤差)を回収し、正常な成熟種子数と未熟な胚珠数を記録し、その割合から結実率を求めた。また、他家受粉で得られた種子と異種間受粉で得られた種子について、25℃・12 時間明期条件で発芽実験を行った。発芽実験は、1 シャーレごとに 30 種子を用い、各種 4 反復を用意した。
得られたデータを GLMM を用いて解析した。

次に、自然状態における繁殖干渉の調査を行った。繁殖干渉は、周囲の異種個体が増えるほど強く働くと予想される。そこで、エゾイソツツジに対してはヒメイソツツジの頻度が、ヒメイソツツジに対してはエゾイソツツジの頻度が周囲で増加するのに伴い、適応度が低下するかを検証した。各調査地で各種 20 花序をランダムに選択し、ナンバーテープでタグ付けした。
次にその個体周囲の半径 2 m 以内に存在して

図 8：GLMM による発芽実験のいるエゾイソツツジとヒメイソツツジの開花花序⽐較結果数を記録した。その後選択した個体の結実率(確率分布：⼆項分布を求め、発芽実験を行った。発芽実験は、十応答変数：成熟種⼦/未熟胚珠

分な種子を得られたヒサゴ山、武華山、天狗岳

説明変数：種, ランダム効果：シャーレ
エラーバーは標準誤差)のサンプルを用いて行った。得られたデータをGLM(結実率)、または GLMM(発芽率)を用いて解析した。
最後に、自然条件における種間交雑の有無を検証するために、フローサイトメトリーによる倍数性の推定を行った。もしエゾイソツツジ(4倍体)とヒメイソツツジ(2 倍体)の間で種間交雑が生じているならば、3 倍体個体が生じていると考えられる。天狗岳から 2 個体、ヒサゴ山から2 個体、自然条件で得られた種子を発芽させて実生を得た後、フローサイトメトリーによるDNA 量の計測、倍数性の推定を行った。

3.

結果と考察

図 7：Tukeyʼs test による受粉実験の3.1 相互排他的なパターンの検証

⽐較結果

形態測定の結果、同所的に生育する高山帯

無：無処理, 他：他家受粉処理

では、ヒメイソツツジはエゾイソツツジよりも体高

異：異種間受粉処理, 袋：袋がけと生産葉量が有意に低く、LMA と葉の推定寿

⾃：⾃家受粉処理命が有意に高い値を示した(図 4)。高い LMA(異なる⽂字は P＜0.05 の⽔準で有意でと長い葉の寿命は、厳しい環境下における適あることを⽰す)

応的な形態であるため 12、ヒメイソツツジの方がより高山帯の風衝地へ特化した形態を持っていると考えられる。

る程度両種の開花時期は重複していた(図 6)。

また、ベルトトランセクト法による生育地利用調査の結果、エゾイソツツジの被度はハイマツ

3.2 繁殖干渉の検証の被度が減少するのに伴って減少する傾向が受粉実験の結果、両種ともに自家受粉処理見られたのに対し(P＜0.001)、ヒメイソツツジのと袋がけ処理で結実率が有意に低下した (図被度は増加する傾向が見られた(P ＜0.001,7)。ヒメイソツツジでは、他家受粉処理で結実

図 5)。この結果は、種間でハイマツの被度に率が上昇した(図 7)。種間交雑の結果は非対依存した微小スケールの空間的分離が存在し称的であり、エゾイソツツジにヒメイソツツジのていることを示唆している。高山帯へ特化した花粉を受粉させた時はほとんど結実しないが、ヒメイソツツジは、より環境ストレスの大きいハイヒメイソツツジにエゾイソツツジの花粉を受粉しマツ被度の小さい場所を利用する傾向がある

たときは高い結実率を示すことが判明した(図のに対して、広標高域に分布するエゾイソツツ

7)。両種は受粉のためにポリネーターを必要とジ は、被陰の大きいハイマツの優占部を利用している。ヒメイソツツジでは他家受粉処理でする傾向があると考えられた。

結実率が上昇したことから、自然状態でポリネ

また、開花期調査の結果、天狗岳以外の山ー タ ー の 不 足 、 つ ま り 花 粉 制 限 (pollen

域では、ヒメイソツツジがエゾイソツツジ よりも１limitation)が起きている可能性が示された。ヒメ週間ほど開花が早い傾向が見られた(図 6)。天イソツツジはエゾイソツツジよりも開花時期が早狗岳においては 6 月の調査の時点で両種はいため、シーズン初期のポリネーター活性のすでに開花していた。高山植物の開花は、一低さの影響を受けていると考えられる。

般的に有効積算温度によって決定されること

発芽実験の結果、他家受粉で得られた種子が知られている 13。天狗岳では低い標高のたは、両種ともに高い発芽率を示し、種間で有め積算温度の蓄積が早く、開花フェノロジーが意な差はなかった(図 8)。一方で、種間交雑で早まった結果、種間の開花時期の違いが小さ得られた種子はほとんど発芽しなかった(図 8)。

くなったと考えられる。しかし、どの山域でもあすなわち雑種種子は通常の同種花粉の受精

図 9：GLMM による発芽実験の⽐較結果(確率分布：⼆項分布, 応答変数：成熟種⼦/未熟胚珠, 説明変数：種,ランダム効果：シャーレ, エラーバーは標準誤差*：P＜0.05, **：P＜0.01, ***：P＜0.001))

で得られた種子よりも発芽能力が低いことが明起きている可能性を示唆している。

らかになった。そのため、ヒメイソツツジで種間両種の間には、空間的、時間的にある程度交雑が起きた場合、発芽の段階で負の影響を分離したパターンが検出された。しかし、これ及ぼし、適応度を低下させると考えられる。

らの分離は、繁殖干渉の完全な回避には十分自然状態における繁殖干渉実験の結果、エでない可能性が示された。その原因は、これらゾイソツツジとヒメイソツツジともに周囲の異種の分離が制限されているからかもしれない。空頻度が増加しても結実率、発芽率に変化はな

間的な分離については、両種の微小スケールかった(P 値＞0.05)。しかし、種間比較を行っの分離がハイマツに依存して起きていた。しかたところ、全ての山域において、ヒメイソツツジ

し、ハイマツから大きく離れた風衝地の中心にはエゾイソツツジよりも有意に発芽率が低かっは、ヒメイソツツジも生育していない。このことは、た(図 9)。さらに、フローサイトメトリーの結果、ヒメイソツツジがハイマツからさらに距離をとるエゾイソツツジ のサンプルは、すべての山域ことが難しい可能性を示している。時間的な分で 4 倍体だったが、ヒメイソツツジのサンプルは離についても、ヒメイソツツジは花粉制限を受ヒサゴ山で 2 倍体で、天狗岳のサンプルは 3けているため、さらに開花期を早めてエゾイソ倍体であることが判明した(図 10)。フローサイト

ツツジから完全に開花期を分離することは困

メトリーの結果は、少なくとも天狗岳では種間難だと考えられる。したがって、両種は繁殖干交雑による雑種形成が起きていることを示して渉の存在下で長い期間共存してきたと考えらいる。他家受粉処理で得られた種子は両種とれる。

もに高い発芽率だったのに対し、自然状態で得られたヒメイソツツジの種子発芽率が低下しているのは、種間交雑の結果発芽能力の低い雑種種子が形成されている可能性を示すものである。以上の結果は、ヒメイソツツジにおいて、自然状態で繁殖干渉による適応度の低下が

図 10：フローサイトメトリーの⽐較結果
左：典型的なエゾイソツツジ とヒメイソツツジの DNA 量
右：天狗岳で⾒出された 3 倍体雑種の DNA 量(FI 値は DNA の相対的な量を⽰す)4.

まとめと展望でどのように維持されているかを集団遺伝学

エゾイソツツジとヒメイソツツジの種間では、の観点から解明することが必要である。また、空間的、時間的にある程度分離したパターン

本研究の調査地の 1 つである遠軽町の天狗岳が存在するが、繁殖干渉の完全な回避には不は、他の山域よりも標高が低いことによる特異十分であり、ヒメイソツツジのみが雑種種子形な開花フェノロジーが観察された。天狗岳では成と発芽率低下による適応度の低下を受けて開花期の重複が他の山域よりも大きい可能性いる可能性が示された。今後は分子実験を解があり、両種の繁殖干渉を研究する上で重要析に加えることにより、各種の個体群が高山帯な地点になると考えられる。

参考文献
1.

Morin P. Community Ecology Second Edition. Chichester: Wiley; 2011.

2.

岸 茂樹, 西田 隆義. 繁殖干渉の視点から競争実験を再検討する. 日本生態学会誌
2012;62:225-238.
https://www.jstage.jst.go.jp/article/seitai/62/2/62_KJ00008157393/_article/-char/ja/.
Accessed March 6, 2020.

3.

Gause G. The Struggle for Existence. Baltimore: Williams and Wilkins; 1934.
https://books.google.co.jp/books?hl=ja&lr=lang_ja%7Clang_en&id=a_6zDwAAQBAJ&oi=fnd&pg=PA1&dq=gause+1934+struggle&ots=fjVq4cUYVF&sig=YlftTaH9FmQkcze6jBGg8OSvHDI.
Accessed March 6, 2020.

4.

高倉 耕一, 西田 隆義. 繁殖干渉. 名古屋: 名古屋大学出版会; 2018.

5.

Kyogoku D. Reproductive interference: ecological and evolutionary consequences ofinterspecific promiscuity. Popul Ecol. 2015;57(2):253-260. doi:10.1007/s10144-015-0486-1

6.

Kuno E. Competitive exclusion through reproductive interference. Res Popul Ecol (Kyoto).
1992;34:275-284.

7.

Kameyama Y, Kudo G. Clarification of the genetic component of hybrids between Phyllodoce
caerulea and Phyllodoce aleutica (Ericaceae) in Hokkaido, northern Japan. Plant Species Biol.
2011;26(1):93-98. doi:10.1111/j.1442-1984.2010.00301.x

8.

五百川 裕, 倉重 祐二, 高橋 英樹. ツツジ科. In: 大橋 広好, 門田 裕一, 邑田 仁,米倉 浩司, 木原 浩, 編.日本の野生植物 新版 4巻. 東京: 平凡社; 2016:235.

9.

我妻 尚広, 瓶井 美知子, 八巻 奈津子, 岡本 吉弘. 苫小牧東部地域に自生するイソツツジ(Ledum palustre var. diversipilosum Nakai)の生育特性. 酪農学園大学紀要.
2006;33(1):111-116.

10.

Lantai K, Kihlman B. The Chromosome Numbers of Ledum palustre ssp. decumbens and ofSome Related Taxa. Hereditas. 1995;122(2):181-184. doi:10.1111/j.1601-5223.1995.00181.x

11.

Xiao Y. Variation in needle longevity of Pinus tabulaeformis forests at different geographicscales. Tree Physiol. 2003;23(7):463-471. doi:10.1093/treephys/23.7.463

12.

Kudo G. Effect of snow-free duration on leaf life-span of four alpine plant species. Can J Bot.
1992;70(8):1684-1688. doi:10.1139/b92-207

13.

Kudo G, Suzuki S. Flowering phenology of alpine plant communities along a gradient ofsnowmelt timing. Polar Biosci. 1999;12:100-113.