Karel Říha の突然変異植物はあまりにも健康的でした。 2000 年にテキサスでポスドク研究員だった分子生物学者は、植物学の主要なモデル生物、シロイヌナズナを繁殖させていました。 、からし科の目立たない雑草。彼は、DNA の末端にあるキャップを修復する能力を植物から奪うような突然変異を持つ株を慎重に選択しました。細胞分裂のたびに、これらの保護テロメアは短くなり、植物の避けられない遺伝的メルトダウンを早めました.
しかし、2 か月が 6 か月になり、Arabidopsis の連続した世代 彼らは雑草のように成長し続けました。 「テロメアの問題の最初の兆候をつかむのに 1 年以上かかりました」と、チェコ共和国のマサリク大学の CEITEC (中央ヨーロッパ工科大学) で研究室を運営している Říha は言いました。 「これは、何か奇妙なことが起こっている最初の兆候でした。」
ミュータントの老化が遅すぎたため、彼がその理由を理解するまでに 10 年が経過しました。近年、ジーハと他の生物学者は、植物が細胞レベルでどのように成長するかを精査してきました。重要な詳細のいくつかは、予想外に曖昧です。植物は正常な組織から花を咲かせるように見えますが、体細胞の突然変異が将来の世代に伝わるのを何らかの形でブロックしている可能性があります。これは通常、動物に関連する戦略です。うまくいけば、物議をかもしているこの発見は、植物界がどのように進化し、生き、そして死ぬかについての 1 世紀にわたる常識を覆す可能性があります。
細胞は、環境の損耗、特に細胞分裂のために DNA がコピーされている間に発生する不慮の事故により、一生を通じて遺伝的損傷を蓄積します。 19 世紀、DNA が遺伝の材料として認識される前でさえ、ドイツの進化生物学者アウグスト ワイスマンは、生物は「生殖細胞系」組織を確立し、露出や複製から隔離することで遺伝的遺産を保護する可能性があると理論付けました。今日、生物学者は、ほとんどの動物が、いつか生殖に使用する細胞を早期に使用するように指定し、生殖器官になるものに保管するためにそれらを遠ざけることを知っています.何十年も日光にさらされると肌の DNA が劣化する可能性がありますが、ひじで赤ちゃんを作るわけではないので、そのダメージはあなたと一緒に墓場に向かいます。
しかし、植物は違います。花や球果などの生殖構造は、植物のほぼどこからでも発芽する可能性があるため、植物学者は、植物はゲームの後半、つまり生殖の直前まで卵類似物を生成しないと結論付けました.最終的に生殖に割り当てられた細胞は、おそらく標準的な身体組織から引き出されたものであると考えられます。つまり、この考えによれば、生物の生存中にこれらの細胞系統で発生した突然変異は次世代に受け継がれる可能性があるということです。
一部の生物学者にとって、植物に明らかに生殖細胞系列がないことは、変化する環境に最適な突然変異を見つけるために植物集団が多くの突然変異をテストできる有利な特徴のように思えます。しかし、他の人にとっては、これは観察された多くの木の寿命と相反する不可解なバグです。太古のそびえ立つ樹木のすべての突然変異が生き続けることができれば、その樹木は何世代にもわたって健康な苗木を生産するのに苦労するはずです.現在、少数の研究者が議論を根本的な仮定に戻そうとしています:植物が突然変異を抑制する生殖細胞系列を持っているとしたらどうなるでしょうか?
数年前、オーストラリア国立大学で分子進化を研究している Robert Lanfear は、ゲノム解析中にユーカリ植物の体細胞に現れた驚くほど少数の突然変異について考えていました。植物がどのようにして突然変異を抑制しているのでしょうか。裏付けとなる証拠が薄いことがわかったとき、彼はその発見を PLOS Biology の 2018 年の記事にまとめました。 .
「これには、1920年代にさかのぼる何百もの論文を読むのに少なくとも18か月かかりました」と彼は言いました. 「私たちは思っていたよりも不安定な立場に立っていたと思います。」
2016 年の特定の 2 つの結果が、Lanfear に論文を書くきっかけを与えました。花のように枝がどの細胞からも成長できる場合、植物の2点間の細胞分裂の数は、それらの間の物質の量に依存するはずです.しかし、細胞の微視的分裂を入念に追跡することにより、スイスのベルン大学のチームはシロイヌナズナを発見しました。 少なくともトマトの枝は少しうるさいです.
すべての植物細胞は、最終的には、植物の主茎の頭にある数百の細胞の頂部 (頂端分裂組織) に由来します。植物学者は何十年も前から、幹細胞が中心部でゆっくりと分裂し、娘細胞を生成することで成長を促進することを知っていた.しかし、植物がこれらの器官を開始する細胞をどのように選択するかは正確には不明でした.
ベルンのグループの追跡努力は、新しい枝が特殊な葉や枝の細胞からではなく、幹細胞から直接発芽することを示唆しました。枝の長さや植物の成長の大きさに関係なく、わずか 7 ～ 9 回の細胞分裂で 1 つの枝が次の枝から分離されました。その速度では、最も遠い枝の先端にある中央の幹細胞は、植物の全寿命にわたってわずか数十回分割され、生物の数兆の細胞と比較して小さな数字です. 「それはかなり奇妙だ」とランフィアは言った。 「その数は、誰もが考えていたよりもずっと少ないです。」
数か月後、リハのシロイヌナズナ トマトの研究が成長のために行ったことを、寿命のために行うという結果がついに明らかになりました。懐疑的な査読者は 2011 年にこの記事を却下しましたが、ベルンの調査後に風向きが変わりました。 Říha のテキサスでの観察に続き、彼のチームは シロイヌナズナ を育てました 突然変異体を通常の条件と長時間の光条件で比較し、世代間のテロメアの劣化を測定して、植物が生涯に DNA を何回コピーしたかを推定しました。通常光のシロイヌナズナは、拡張光の個体よりも 3 倍長く生きますが、 テロメアが約 15% 短いだけで DNA を受け継いだ — 彼らの寿命の違いが暗示していたよりもはるかに小さい減少.
Říha は、テキサスの彼の植物が何世代にもわたって繁栄してきた理由をついに理解しました。 の生殖 DNA は、サイズや寿命とはほとんど関係のない氷河のようなペースで分裂していました。これらの結果と Bern グループの結果に照らして、頂端分裂組織でゆっくりと分裂している幹細胞は、問題の系統の最有力候補のように見えました。 Říha は現在、上部のいくつかの細胞が絶対に必要な場合にのみ分裂し、下部の娘細胞が植物の成長の大部分を占めている頂端分裂組織の組織が、生殖 DNA を保護するために進化したのではないかと考えています。
この戦略は、動物のように卵巣で卵子を封鎖するのとまったく同じではありませんが、幹細胞を頂端分裂組織で比較的休止状態に保つことで同じ利点が得られる可能性があります。最終的な繁殖のためにDNAをきれいに保ちます。 「生殖細胞系を非常に早い段階で脇に置き、それを脇に置いておくような厳密な分離があるわけではありません」とリハは言いました. 「これは、大規模な複製から保護または遮蔽された細胞のプールのようなものです。」
一部の生物学者は、méristème d’attente と呼ばれる 20 世紀半ばのフランスの理論にひねりを加えて、この静かな細胞プールを「機能的な生殖細胞系」と見なし始めています。 、または「待機メリステム」は、植物の胚が多くの動物のように初期に生殖細胞を隔離し、細胞が開花するまでメリステムで完全に沈黙したままであることを示唆しました.植物学者は最終的に、植物が成長するにつれてすべての胚細胞が分裂することを証明することにより、この理論の信用を失墜させましたが、Lanfear は拒絶が行き過ぎたと考えています。生殖細胞をすぐに脇に置いて二度と分裂しないという極端な方法と、生殖に至るまでの熱狂的な分裂との間には、多くの余地があると彼は言います.さらに、生殖細胞系の処理とタイミングは動物によって異なり、すべての植物が同じように行うと期待するのは単純すぎると彼は言います.
しかし、機能性生殖細胞系は実際に突然変異率の低下と相関しているのでしょうか?最近の研究は、その可能性を示唆しています。樹木は背が高くなるにつれて枝を出すため、下の枝は若い頃の植物のゲノムのスナップショットとして機能します。また、手頃な価格の遺伝子配列決定技術により、研究者は、樹木の老化に伴う DNA の変化を明らかにするスライドショーを組み立てることができます。
分子生物学者の Philippe Reymond は、スイスのローザンヌ大学のキャンパスにある古い樫の木の威厳に心を打たれ、太陽の下で 200 年以上成長した後、その上層部にどれだけの変異が蓄積されたのか疑問に思いました。彼のグループは、オークの下部と上部の葉の DNA を配列決定し、アルゴリズムを使用して遺伝コードのタイプミスを検索しました。これは、100 のオックスフォード英語辞書の 2 つのスタックをコピーエディットすることに匹敵します。最終的に、彼らは、最上部の葉に蓄積された突然変異は 30 個以下であると推定しました。これは、シロイヌナズナに基づいてレイモンドが予想したものの 10 分の 1 にすぎません。
遺伝的遮蔽と物理的遮蔽の両方を備えた機能的な生殖細胞系列は、古代の木がどのようにして遺伝的に健康を維持しているかを説明できる可能性があります。 「少数の細胞が分裂しない理由には、遺伝的制御が必要です。厳密な遺伝的プログラムです」とレイモンド氏は言います。 「葉のこれらの層は、その下の幹細胞を紫外線から保護することもできます.
シロイヌナズナ 、トマト、オークはすべて被子植物と呼ばれる顕花植物グループに属しますが、6 月に発表された個々の針葉樹について推定された最初の突然変異率は、同様のことを物語っています。ブリティッシュ コロンビア大学 (UBC) のチームは、プロのツリー クライマーに、樹齢 200 ～ 500 年のシトカスプルースの木から針葉樹と幹の小片を集めさせました。選択したゲノム セクションのシーケンスを行ったところ、多くの動物よりも年間の突然変異率が低いことがわかりました。トウヒがシロイヌナズナと同じくらい頻繁に DNA 複製をしないと仮定すると、 研究グループは、樹木の幹細胞は分裂の合間に何年も静かに横たわっている可能性があると結論付けました。 「これは生殖細胞系に似ています」と、共著者で UBC の林学教授である Sally Aitken 氏は述べています。
ただし、一部には予約があります。針葉樹の研究にも携わった UBC の進化生物学者である Sarah Otto は、幹細胞は突然変異の制御とは無関係の理由でゆっくりと分裂するように進化した可能性があると指摘しています。たとえば、小さくて静かな茎頂メリステムは、下の植物の比較的爆発的な成長の上でバランスを保っている唯一のタイプかもしれません.彼女にとって、幹細胞のより詳細な分子分析は、より説得力のある証拠となるでしょう.
バース大学のミルナー進化センターの進化遺伝学者であるローレンス・ハーストも、集団、寿命、サイズが異なるグループ間で突然変異率を比較することは難しいため、注意を促しています。個人の突然変異の根源にたどり着くために、彼は最近論文を共著し、4 月に PLOS Biology に掲載されました。 、同じ 8 種の植物のさまざまな部分から取得した数百のゲノムを比較します。 「私たちはこれらすべての変数を取り除こうとしています」と彼は言いました。 「それはすべて同じ植物からのものです。」
しかし、Hurst は、Lanfear の仮説が興味深いと考えています。その理由の 1 つは、Hurst の最近の研究の実験の 1 つが、機能的な生殖細胞系のアイデアを一歩超えており、正直で動物的な分離された生殖細胞系のこれまでで最も示唆に富む証拠を明らかにしたためです.
イチゴは、地面に落ちたときに新しい植物に成長するランナーを出すことによって繁殖します.これらのランナーは将来のイチゴ植物の DNA を運ぶため、生殖細胞系の理論では、植物はランナーの突然変異を低く抑えなければならないと主張します。しかし、これらのランナーは、生殖に重要でない葉の2倍の突然変異を持っていました. 「本当に頭を悩ませました」とハーストは言いました。
しかし、チームは5つの突然変異を注意深く追跡した後、子孫の植物のそれぞれに1つだけが入り込み、常に同じものであることを発見しました.同じ突然変異を無作為に抽出する連続した各植物のオッズは 1,000 分の 1 未満でした、と Hurst は計算し、別の解釈を示唆しています.
「私たちが手に入れたのは、偶然にも最も美しい細胞株トレーサーです」と彼は言いました。 「この[突然変異]は、生殖細胞系のようなものにあるに違いありません。」イチゴがランナーの細胞を物理的に分離し、分子リソースを生殖用細胞の突然変異率を低く保つことに専念させる場合、子孫に多くの悪影響を与えることなく残りのランナーを無視することができます.
「これは、一部の植物が実際に生殖細胞系列を持っていることを誰かが思いついたことを示す最良の証拠だと思います」とハーストは言いました.次に、顕微鏡でランナーのサンプルをいくつか入手し、物理的な違いを探す予定です。
Lanfear は、このような結果は興味深いものであると考えていますが、暫定的なものであることを強調しています。この時点で、ほとんどの実験は小さなグループの植物を含み、植物の生殖細胞系を検索するように明示的に設計されていません.多数の技術的な警告も、遺伝的結果の解釈を複雑にします。 「この証拠はどれも完全に防弾ではありません」と彼は言いました。
機能的生殖細胞系列仮説をより確固たる基盤に置くには、先端分裂組織がどのように分裂するかを研究し、より多くの種で突然変異率を測定し、いくつの突然変異が次世代につながるかを追跡する必要があります。分離された生殖細胞系を証明することはさらに困難になります。理想的には、研究者は植物の全細胞系統をたどり、花のみにつながる 1 つの分裂組織集団を探すことになりますが、植物は長命で、不透明で発生過程で可塑性があり、分裂組織の葉が科学者や紫外線から覆い隠します。
課題はあるものの、Lanfear 氏は、今後の作業が解決に向けて大いに役立つと考えています。 「私は驚かないだろう」と彼は言った、「今後5年以内に、多くの異なる種でこの質問に対するかなり良い答えが得られたとしても.」
生殖細胞系は世代間の遺伝的ゲートを表しているため、種が生殖細胞系をどの程度利用しているかを理解することで、生命の木の帯全体にわたる進化の傾向を明らかにすることができます.ハーストは植物を研究して、彼が「将来の影の効果」と呼んでいるものをテストします。これは、DNA のストレッチが将来の世代にとって重要であるほど、生物はそれを安全に保つために働くという仮説です。 「[隔離された]生殖細胞系列は、その結晶にすぎません」と彼は言いました。
生物学者は長い間、マウスからゾウまでの種で生涯のがん発生率が一定に保たれている理由について長い間頭を悩ませてきました。植物の癌は細胞が動かないので転移しませんが、ランダムな突然変異は他の方法で害を引き起こします.したがって、私たちの緑豊かな仲間が、遺伝子機構をスムーズにハミングさせて、これほど大きく成長できるようにする技術を開発したのは当然のことです。遺伝子の管理に関しては、すべての種が倹約的な手抜きと費用のかかる完璧主義との間のバランスを求めています。問題は、それぞれの戦略がどの程度重複するかです。
「植物を研究すればするほど、人間や動物にも同様の戦略または同様の発見があることがわかります」とレイモンドは言いました。 「それらは異なる解決策ですが、おそらく同じ理由または同じ目標のためです。」
