新しい種やグループの起源と多様化に関連する進化の出来事を考えるとき、人々は新しい適応、つまり新しい有益な形質を生み出す特定の遺伝子を強調する傾向があります。しかし、増え続ける研究は、場合によっては、その決定要因がはるかに基本的なものである可能性があることを示唆しています:サイズ.今日 PLOS Biology に掲載された論文で 、被子植物、または顕花植物を研究している 2 人の研究者は、それらの進化における制限的制約としてゲノムサイズを挙げました.
顕花植物の成功は、ランやチューリップから草や小麦まですべてを含むグループであり、生物学者にとって長年の謎です. (著名な植物学者ジョセフ・ダルトン・フッカーに宛てた 1879 年の手紙の中で、チャールズ・ダーウィンはそれを「忌まわしい謎」と呼んだ。) 陸生植物が最初に出現したのは 5 億年近く前だが、顕花植物が出現したのは過去 1 億年に過ぎなかった。白亜紀。しかし、被子植物が出現すると、その構造的および機能的多様性が爆発的に拡大し、他の主要な植物グループである裸子植物 (針葉樹を含む) やシダの多様化と普及をはるかに上回りました。
今日、地球上の大部分の環境で繁栄してきた 350,000 種の顕花植物が、陸上の全植物の 90% を占めています。ダーウィンの時代以来、その忌まわしい謎への答えを追求している生物学者は、なぜ顕花植物がこのような比較的短い時間でこのレベルの優位性を達成できたのかを説明しようと努めてきました.
被子植物をその近縁種から際立たせる生理学的特性に通常焦点を当ててきた科学者たちのせいで、おそらくその答えはとらえどころのないものでした。 PLOS 生物学 しかし、論文では、サンフランシスコ州立大学の植物生物学者であるケビン・シモニンとイェール大学のポスドク研究員であるアダム・ロディは、本当に重要なのは個々の適応の根底にあるゲノムサイズであると主張しています.
ゲノムダウンサイジングの利点
種は、生物の複雑さに関係なく、ゲノムサイズが大きく異なります。よく引用される例では、タマネギは人間の 5 倍の DNA を持っています。新しい研究で、Simonin と Roddy は、ゲノムサイズの変動性が大規模な生物多様性にとって何を意味するかを実証しました。彼らは、何百もの被子植物、シダ植物、裸子植物のゲノム サイズ、細胞サイズ、細胞密度、光合成速度に関する膨大な量のデータを編集し、これらの形質間の相関関係を時間を遡って追跡し、まとまりのある進化の物語を織り上げました。
被子植物の出現は、植物の系統が全ゲノムを複製する多くの出来事によって特徴付けられました。このプロセスは、遺伝子の余分なコピーが進化して新しい機能を担う可能性があるため、より大きな多様化への扉を開きました.しかし、非常に多くの遺伝物質を運ぶことは生理学的にも負担になる可能性があるため、自然淘汰は通常、不要な配列を積極的に剪定することによって、これらの重複イベントを追跡しました.この「ゲノムのダウンサイジング」により、顕花植物の DNA は親種よりも少なくなることがよくありました。実際、顕花植物の家系図を基部までたどることで、研究者は最初の被子植物が小さなゲノムを持っていたことを突き止めました。 「これが多様性に貢献しただけでなく、被子植物に他の植物グループを打ち負かすための代謝上の優位性を与えた可能性があることがわかっています」と Simonin 氏は述べています。
彼とロディは、被子植物の小さなゲノムが一連の影響を引き起こし、それが時間の経過とともに生理学から構造へ、そして最終的には生態学的役割へと流れ込んだと仮定しました。 DNA が少ないほど、顕花植物はより小さな細胞から葉を作ることが可能になり、その結果、より多くの特定の細胞タイプを同じ体積に詰め込むことができるようになりました。したがって、気孔（空気からの二酸化炭素の取り込みと水蒸気の放出を容易にする細孔）の密度が高くなり、それらの細孔を開いたままにするのに十分な水を提供する静脈の密度が高くなる可能性があります。そして顕花植物は、これらの利点を達成するために高密度の光合成細胞を犠牲にする必要はありませんでした.
その結果、顕花植物は、光合成によって太陽光をはるかに効率的に糖に変えることができます。水分補給とガス交換の優れた能力の上昇は、白亜紀の大気中の二酸化炭素レベルの低下とも一致し、緑色植物の仲間に対する被子植物の競争力にさらに貢献しました。 Simonin と Roddy によると、系統発生学的証拠は、ゲノムサイズの変化と関連する生理学的形質が一緒に起こったことを示しています.
顕花植物のゲノムは小さくゆがんでいるが、ダウンサイジングはそれを強制するものではなかった。むしろ、植物が利用できる細胞とゲノムのサイズの範囲を拡大しました。英国キュー王立植物園の進化生物学者イリア・リーチ氏によると、被子植物は最小のゲノムと最大のゲノムの間に2,400倍近い大きな違いがあるという。比較すると、シダには196倍の違いがあり、裸子植物には16倍の違いがある.顕花植物の範囲が広いということは、「環境に合わせて生理機能をより微調整できることを意味し、さまざまな環境条件でより多様な生息地に住む可能性があることを意味します」と Roddy 氏は述べています。適応性の大きな可能性は、ゲノムサイズが気候変動のようなものに対する顕花植物の反応にも寄与する可能性があることを意味します.
「顕花植物がより動的なゲノムを持つ能力により、被子植物が、裸子植物やシダなどの他の系統が制約されているように見える境界を超えて進化する柔軟性と能力を持つ場所に置かれることが示唆されます」とマイケル・バーカーは言いました.アリゾナ大学の進化生物学者。ある種類の被子植物について先週発表された研究によると、小さなゲノムによってもたらされる環境応答の可塑性も、植物が侵略的になるかどうかを決定する可能性があります.
シモニン、ロディらは、ゲノムサイズが生理学的および進化的成功にどのように影響するかについて、さらに解明したいと考えています。ゲノムのダウンサイジング中に種の DNA のどの部分が失われるのか、被子植物はゲノムを最小化する傾向があり、他の植物種はそうではありません。また、他の要因ではなく、ゲノムサイズに直接起因する利点は何ですか。シドニー大学の植物生物学者であるピーター・フランクス氏は、科学者がこのメカニズムをよりよく理解すれば、より生産性の高い作物を設計できる可能性があると述べています。
複雑な脳のための小さな細胞?
しかし、被子植物の発見で最もエキサイティングなことは、ロディが「基本的な生物物理学的原則」と呼んでいるものを指し示していることかもしれません。結局、細胞サイズに影響を与えるゲノム サイズは、植物だけの制約ではありません。
たとえば、ほとんどの鳥類のゲノムは比較的小さく、これが全体的な成功につながっています。飛行のためのエネルギーを生成するために必要な高い代謝率は、酸素をより効率的に伝達できる小さな血液細胞によって促進されます。また、これらの小さな血液細胞 (哺乳類のものとは異なり、核を持っています) は、祖先ゲノムの小型化によっても可能になりました。 .カナダのグエルフ大学の進化生物学者である T. Ryan Gregory によると、ハチドリのゲノムが鳥類の中で最も小さく、飛べない鳥のゲノムが最も大きいのはそのためです。系統発生学的証拠が、被子植物が小さなゲノムを持って出現し、その後さらに小さくなったことを示したように、グレゴリーは、鳥類を生み出したと考えられている恐竜の枝でゲノムサイズが縮小したことを示す化石の証拠を発見しました。
Gregory は現在、脳の複雑さに対するゲノム サイズの影響を研究しています。より小さなゲノムはより小さなニューロンに変換され、脳がより多くの細胞と接続に適合することを可能にします、と彼は言いました。そのパラメーターは、時間をかけて脊椎動物のより複雑な脳の発達に重要な役割を果たした可能性があります。そして、非常に複雑な脳を持つ生物、つまり哺乳類や鳥類でさえ、「ゲノムを小さくする他の制約、特に赤血球のサイズが、脳の複雑さを増大させる舞台を設定した可能性がある」とグレゴリー氏は述べた.
