食虫植物の進化は遺伝子の働きを変える物語である

18 世紀以前は、植物は動くことができず、動物の餌としてのみ存在できると一般に信じられていました。彼らは植物が動物を捕食できるとは信じられなかった。

ダーウィンは16年間かけて植物に関する綿密な実験を行った。彼は、いくつかの植物の葉が、昆虫やその他の小動物を捕らえるだけでなく、それらの中の栄養分を消化して吸収することもできる奇妙な構造に特殊化していることを観察しました。この発見は後に彼の著書『食虫植物』に詳しく記録された。

『食虫植物』の出版によって「人間や動物に無害」という植物のイメージが変わったとすれば、『植物の動く力』という本は、植物が硬直していて動かないという本来の印象から植物を「解放」した。

突然、植物は動物と変わらず、人を移動させ、殺すことができるようになった。この新しい知識により、植物が人を殺すというホラーストーリーが非常に人気のある物語のテーマになりましたが、その一方で、何世代にもわたる生物学者たちがこれらの信じられないほど奇妙な植物を理解し、解読するきっかけにもなりました。

19 世紀の作家は人食い木について描写しました。画像クレジット: JW BUEL / パブリックドメイン

とても奇妙

もう一度見てみましょう

現在、世界には12科、20属、約860種の食虫植物が記録されています。これらの植物のほとんどは、湿気の多い酸性の沼地や痩せた熱帯の土壌など、栄養分の乏しい地域で育ちます。すべての生息地は、植物の成長に必要な窒素とリンが不足していることが特徴です。したがって、生き残るためには、重要な栄養素の代替源を見つける必要があります。

画像提供: ロイヤル植物園ビクトリア

進化の過程で、「不毛の地」に生息する植物は、植物の成長に必要なタンパク質やさまざまな元素を豊富に含む昆虫などの小型無脊椎動物を標的とするようになった。それらに対処するために、食虫植物も独自の捕食方法を獲得しました。

捕獲方法に関して、現在、すべての食虫植物は、トラップ、接着剤、クランプ式捕虫器、侵入後に出入り口が見つからないロブスターケージ原理捕虫器、侵入後に前進することしかできず後退することができないハトケージ原理捕虫器、および真空を作り出して獲物を吸い出すことができる袋型捕虫器の6つの基本的なメカニズムを使用しています。

その中でも、捕獲方法は非常に「退屈」なものがほとんどです。例えば、狩猟用の罠を作るのに優れたウツボカズラ、ヘリアムフォラ、サラセニアなどのウツボカズラの葉は、ほとんどが高度に特殊化しており、消化液が入った複雑なボトル型の容器になります。

マレーシアのボルネオ島で採集されたウツボカズラ類の標本。画像提供: A. van der Ent (1) & A. Robinson

これらの特殊な葉は、水を蓄えたり、蜜腺から香りを放ったり、さまざまな光スペクトルを反射したりして動物を引き寄せることもできます。気づかないうちに「メロンを食べる群衆」が葉の上に着地すると、瓶の口の上部にある特殊な滑らかな構造のせいで、多くの昆虫が瓶の上を歩いているときに誤って瓶の中に落ちてしまいます。

画像ソース: 画像の透かしを参照

基本的に、ボトルの壁は滑らかなワックス層で覆われているため、ボトルの中に落ちた獲物が登り出すのは困難です。同時に、ボトルの底にある消化液は表面張力が低く、非常に粘性が高いため、獲物がボトルの中に落ちるとすぐに液面まで沈み、最終的に消化液によって分解されて利用されます。

もちろん、昆虫を引き寄せる粘液を分泌する、比較的立体的で可動性のある粘着性の触手昆虫トラップを備えたドロセラ属の植物など、より柔軟な捕獲方法もあります。獲物が引っかかると、もともと伸ばされていた触手が獲物に向かって積極的に曲がり、より多くの粘液が獲物の周囲に巻きつき、窒息死させます。同時に、消化腺と獲物との接触範囲が拡大し、獲物をより早く殺して栄養を得ることができるようになります。

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しかし、まさに「エリートハンター」と呼べるのは、洗練された複雑な反応システムを持つハエトリグサ（Dionaea muscipula）です。その独特なクランプ形の昆虫トラップは、葉から高度に特殊化され、中肋によって接続されています。各クランプの内側表面には、触覚に敏感な毛が付いています。触覚毛が曲がると、基底細胞のイオンチャネルが開き、活動電位が発生してそれが中肋に伝達され、クランプが閉じます。さらに驚くべきことは、ハエトリグサは活動電位が昆虫の接触によって引き起こされたのか、それとも雨滴や枯葉が落ちてきたことによって引き起こされたのかを区別し、それに応じた判断を下すこともできるということです。

ハエトリグサの罠は一瞬で閉じて獲物を捕らえます。クレジット: ANDIA / ALAMY STOCK PHOTO

食虫植物は形や形態、捕獲方法が大きく異なりますが、その獲物の基本は特殊な葉や葉の一部であり、これは食虫植物が主に根ではなく葉から栄養を得ることも意味します。

この遺伝子は役に立たない。

立場を変えてみませんか？

では、もともと光合成に使われていた葉が、どのようにして攻撃兵器になったのでしょうか?その答えは私たちの遺伝子の中にあるのかもしれません。

植物が肉を食べるためには、2つの重要な問題を解決する必要があります。1つ目は消化、2つ目は吸収です。

今から考えると、食虫植物の進化の過程は狡猾で柔軟なものだったようです。彼らは既存の「リソース」を利用して新たな能力を獲得しました。結局、「廃棄物」は再利用するよりも活用する方が簡単です。

研究者たちは、1970年代初頭に、食虫植物の消化液に、昆虫の外骨格のキチンを分解するキチナーゼ、肉のタンパク質を分解するプロテアーゼ、獲物から元素リンを抽出できる紫色酸性ホスファターゼなど、さまざまな酵素が含まれていることを発見しました。当初、研究者たちは、これらの酵素が食虫植物自身によって生成されたのか、あるいはその消化液中の微生物によって生成されたのか不明でした。

画像クレジット: H. ZELL / WIKIMEDIA COMMONS

分子科学者がこれらの酵素をコードする遺伝子の多くを特定できるようになったのは、DNA配列解析技術が急速に発達してからです。科学者たちは、これらの酵素が変化せずにそのまま残っていたことを発見しました。しかし、これらの酵素は、植物がもともと細菌、真菌、草食昆虫と戦うために使用していた化学的防御と非常によく似た方法で作用したため、肉食植物によって再利用されていました。

例えば、キチナーゼはもともと細胞壁にキチンを含む菌類と戦うために使われていた可能性があり、その後、節足動物が進化するにつれて、キチナーゼはそれらに対する防御にも使われるようになりました。

捕らえられた動物が消化されると、キチンやタンパク質などの大きな分子は小さな分子に分解され、植物はそれを消化液から体内に輸送しなければなりません。通常の植物では、栄養分の吸収は根の役割であり、輸送タンパク質が土壌から植物に栄養分を継続的に輸送します。食虫植物では、葉でも栄養を吸収できるように、根で働く輸送タンパク質遺伝子を葉にも配置します。唯一の違いは、遺伝子は根では常にアクティブなままですが、葉では、栄養素を吸収する必要があるときにのみトランスポータータンパク質がアクティブになることです。

古代の植物では、多数の反復遺伝子を再利用することで、環境への適応力を高めることができ、それが植物が肉食動物を食べる能力を獲得できる理由であると考えられます。

参考文献:

1.肉食の起源：動物食植物の分子生理学と進化

https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-080620-010429

2.ハエトリグサ：興奮しやすい食虫植物の働き

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1360138517302807

3. ハエトリグサの肉食生活は草食動物の防御戦略に基づいている

https://genome.cshlp.org/content/early/2016/04/28/gr.202200.115.full.pdf

著者: 魚

中国科学作家協会優秀科学普及作品銀賞受賞

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