ココナッツの木がどれだけ高く成長するかは400万年前に決定された

ココナッツは、さまざまな特性を持つ重要な熱帯の油および果物作物です。たとえば、ある植物は他の植物よりも背が高く、ある植物はココナッツの果肉が多くまたは少なく、ある植物は殻が大きくまたは小さいなど、これらの違いは何によって生じるのでしょうか。ココナッツについては解明すべき謎がたくさんあります。

最近、ゲノム生物学誌に発表された論文で、研究チームは背の高いココナッツと矮性ココナッツの高品質な参照ゲノムをマッピングし、単子葉植物の染色体の進化過程を明らかにし、背の高いココナッツと矮性ココナッツの植物の高さや繊維含有量などの主要な形質の違いの遺伝的根拠を分析し、高さを制御する重要な「スイッチ」を発見し、約400万年前に起こったココナッツの「緑の革命」を解明しました。

インタビュー対象者提供の緑色の矮性ココナッツの木の写真

高品質の参照ゲノムのマッピング

ココナッツは海南省の重要な経済作物の一つです。 2020年現在、同省のココナッツ林面積は51万7,900ムーで、年間のココナッツ生産量は約2億2,300万個となっている。同省では200万人以上が直接的または間接的にココナッツ産業に従事しており、年間総生産額は200億元を超えている。

「ココナッツ産業は非常に活況を呈しているが、ココナッツに関する基礎研究は比較的遅れている。」論文の共同筆頭著者で中国熱帯農業科学院ココナッツ研究所の研究員であるシャオ・ヨン氏は、中国科学日報とのインタビューでこう語った。

重要な生物学的現象や問題を分析するためには、まず高品質のゲノムを入手することが不可欠です。

研究チームは、第3世代およびHi-Cシーケンシング技術を使用して、背の高いココナッツと矮性ココナッツの2つのココナッツ参照ゲノムを染色体レベルで組み立てて取得しました。

このうち、背の高いココナッツのゲノムサイズは2.39Gb、矮性ココナッツのゲノムサイズは2.40Gbであり、ゲノムは個別に注釈付けされました。

研究チームは、ココナッツのゲノムをスイレンやアブラヤシのゲノムと比較分析した結果、ココナッツは2回の全ゲノム重複を経験しており、そのうち1回はヤシ科に特有のものであることを明らかにした。

ヤシ科に属するココナッツとアブラヤシは約 2,700 万年前に分化しましたが、背の高いココナッツと矮性ココナッツは約 400 万年前に分化しました。

「ココナッツが属するヤシ科は単子葉植物の中でも古いグループの一つで、単子葉植物の染色体の進化や古代植物の分化を研究するのに理想的な種だ」と、論文の共同筆頭著者で海南大学の教授である王守創氏は中国科学日報のインタビューで語った。

研究チームは、高品質のココナッツゲノムをスピロデンドルムやパイナップルなどの単子葉植物のゲノムと比較分析し、テロメア中心の染色体再構築理論とモデルに基づいて、10本の染色体を含む単子葉植物の祖先細胞の核型を再構築しました。これは、これまで報告されていた5本または7本の染色体の核型よりも強力な証拠による裏付けがあります。そして、この核型に基づいて、ココナッツゲノム内の16本の染色体の進化プロセスをさらに推測しました。

上記の研究結果は、単子葉植物の核型の変化、さらには被子植物の進化過程をより深く理解するのに役立ちます。

ココナッツの高さの謎を解く

ココナッツは主に背の高い種と矮性種の 2 つのサブグループに分けられ、2 つのサブグループ間の特性には多くの違いがあります。

最も明らかな違いは高さです。背の高いココナッツの木は高さが 15 〜 30 メートルですが、矮性ココナッツの木は高さが 5 〜 15 メートルしかありません。

大きな違いがあります。背の高いココヤシと矮性ココヤシの植物の高さの違いは何によって決まるのでしょうか?

「この成果の最も興味深い点は、全ゲノム関連解析と生化学的、分子的、生理学的手法を組み合わせて、ココナッツの高さを制御する重要な遺伝子、つまり染色体12に位置するGA20ox遺伝子をクローン化したことです。また、この遺伝子は実際には米、トウモロコシ、小麦の『緑の革命』遺伝子と相同遺伝子であることもわかりました。」論文の共同責任著者で海南大学教授の羅潔氏は中国科学日報とのインタビューで指摘した。

「緑の革命」遺伝子は人類にとって特別な意味を持っています。約60年前、米、トウモロコシ、小麦などの作物は背が高く、風に弱く倒れやすく、収穫量が減少していました。

分子生物学的手法により、育種家たちは矮性遺伝子を発見した。これは後に「緑の革命」遺伝子と呼ばれるようになった。品種改良により矮性品種が開発され、「食糧不足」の問題が解決され、食糧の安全保障が確保されました。

「以上の結果を考慮すると、約400万年前のココナッツの亜種の分化の過程で、イネやトウモロコシなどの作物の半矮性育種プロセスに似た『緑の革命』が起こったことが示されています。」ロジャーは、人間が60年前にやったことは、自然がすでに400万年前にやっていたことだと言いました。

ココナッツ産業は将来性が広いが、量が不足している。非常に重要な理由の 1 つは、ココナッツの成長サイクルが非常に長いため、大量繁殖が難しいことです。背の高いココヤシが実を結ぶまでには 8 ～ 10 年かかりますが、矮性ココヤシの場合は 3 ～ 5 年かかります。従来の交配育種技術を使用すると、品種の育種が完了するまでに数世代と数十年かかる場合があります。

「この植物の高さを制御する遺伝子により、分子マーカーを開発し、収穫しやすい矮性ココナッツを事前に選択することができます。これにより、多くの時間とリソースを節約し、育種プロセスを大幅にスピードアップし、ココナッツ産業のより迅速な発展を促進することができます。」中国熱帯農業科学院ココナッツ研究所副所長の王輝氏は中国科学日報に語った。

重要な特性を分析することは非常に重要である

高さに加えて、ココナッツには他のさまざまな特性があります。たとえば、背の高いココナッツの果実のセルロース含有量は比較的高いのに対し、背の低いココナッツの果実のセルロース含有量は比較的低いです。

「栽培量の多いココナッツは野生のココナッツに近い。熱帯の島国のココナッツは海流に乗って他の地域に広がったと推測しており、繊維含有量が漂流できるかどうかの重要な要因だった。この特性はココナッツの進化と密接に関係している」と王守創氏は語った。

実のところ、元々のココナッツは非常に小さかったのです。たとえば、メロンシードココナッツはナツメヤシほどの大きさしかありませんでした。浮くために、自然の進化により繊維はどんどん長くなりました。セルロース含有量が多いココナッツは水に浮きますが、セルロース含有量が少ないココナッツは海に沈んでしまいます。

研究チームは、マルチオミクスと細胞学的手法を用いてこの現象を分析した。 「繊維は主にリグニンとセルロースで構成されています。私たちはこの2つの側面に焦点を当て、リグニンとセルロースの合成経路にあるすべての遺伝子に注目し、これらの遺伝子の発現が背の高いココナッツと矮性ココナッツで異なるかどうかを確認しました。

分析結果では、その差は確かに大きいことが示されました。関連遺伝子の発現レベルは背の高いココナッツの木では非常に高かったが、矮性ココナッツの木では非常に低かった。 「シャオ・ヨンが紹介しました。今回はセルロース合成を制御する部位と遺伝子を予備的に発見しました。」

諺にもあるように、「ケーキを食べて、それを残しておくことはできない」のです。シャオ・ヨンさんは、セルロース含有量が高すぎると、殻の中央部分の容積が非常に小さくなり、中のココナッツの果肉とココナッツジュースも少なくなると述べた。

最初、自然はセルロース含有量の多いココナッツを選択しました。その後、人工的な選択の発達により、より多くの果肉と果汁を含むココナッツの品種が徐々に出現しました。

研究チームは、植物の高さや繊維に加え、背の高いココナッツと矮性ココナッツの耐塩性や脂質含有量などの主要な形質の違いの遺伝的根拠も分析した。

「これらの形質の鍵となる遺伝子を発見した後、私たちの次のステップは、分子育種システムを構築して育種のペースを加速することであり、これは業界に多大な貢献をするでしょう。また、優れた形質を決定する遺伝子を『借りる』こともできます。例えば、耐塩性遺伝子を他の作物に適用して耐塩性を向上させることができ、それは他の品種の遺伝子改良に役立ちます」と王輝氏は語った。

「ココナッツに含まれるラウリン酸は人類が知る植物の中で最も含有量が多く、ラウリン酸は化粧品の重要な原料です。ココナッツ脂質の合成と調節の分子メカニズムを解明することは、ココナッツ産業チェーンの拡大に役立つでしょう」と王守創氏は語った。

関連論文情報:

https://doi.org/10.1186/s13059-021-02522-9

中国科学日報（2021年11月23日第3号：農業科学技術）

著者: 張青丹

原題：「ココナッツの木の大きさは400万年前に決定された！」

編集者 |趙 陸

タイプセッティング |郭剛