比較ゲノミクスにより独特の窒素が明らかに

Nature Communications volume 14、記事番号: 4334 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

キク科 (デイジー科) は、植物の最大の科の 1 つです。 高い生物多様性と優れた適応性の遺伝的基盤は解明されていません。 今回我々は、キク科のメンバーであるステムレタスと、キク科の最も近いアウトグループの1つであるグッドデニア科のメンバーであるスカエボラ・タッカダの2つのde novo染色体スケールのゲノムアセンブリを含む、29の陸生植物種のゲノムを比較する。 私たちは、キク科が約 8,000 万年前に誕生し、古倍数体化を繰り返したことを示します。 生命のほぼすべての領域に存在する窒素-炭素（NC）同化の普遍的な調節因子であるPIIは、キク科全体で著しく失われています。 一方、キク科は、重要な代謝遺伝子の古倍数化とタンデム重複を介してNCバランスシステムを段階的にアップグレードし、その結果、窒素摂取と脂肪酸生合成が強化されました。 キク科で報告されているユニークな NC バランス システムは、生態学的成功の分子基盤を示唆するだけでなく、潜在的な作物改良戦略を提供します。

被子植物（顕花植物）は急速な陸上放射と種の多様化を経験し、最終的には白亜紀の終わりまでに生態学的に優勢になりました。これはチャールズ・ダーウィンが「忌まわしい謎」と特徴づけたことで有名です1。 特に、キク科は顕花植物の最大の科としてラン科に匹敵します。 キク科は 1,620 属 30,000 種以上で構成され、全開花種の約 10% を占めます (補足図 1 および補足注 1)2,3。 キク科の種の豊富さは、キク科 (47 種)、グッドデニア科 (430 種)、メンヤンサス科 (60 種) などのキク目の近縁科よりもはるかに豊富です。 信じられないほどの多様性と優れた適応性を備え、生態学的に最も成功した家族として、そのメンバーは、砂漠や塩原などの極限環境を含む、地球上のほぼすべての種類の生息地に生息しています（補足図1）4。 キク科の並外れた適応性を説明できる別の例は、この科の植物が世界的な侵入種のリストの上位 3 つにランクされていることです (補足図 1)。 キク科の生態学的成功は、その特有の形態と生理機能に関連していると考えられています。 例えば、特徴的な花序 (頭状花序) は、この科に大きく依存して餌を与え、繁殖する昆虫の花粉媒介者を誘引することにより、生態学的放射に実質的に貢献しています5。 剛毛の冠を持つ痩果のような果実 (シプセラ) は、風による飛散を促進したり、動物の毛皮や羽毛に付着したりします2。 これらの分散方法はいずれも、他のほとんどの種類の種子よりも長距離に種子が散布されることになります。 さらに、デンプンの代わりにイヌリン型フルクタンはキク科の主な貯蔵炭水化物であり、環境課題への適応能力を高める潜在的な機能を持っています6、7、8。 しかし、キク科の爆発的な多様化と適応性を徐々に理解することは、生物学者にとって依然として大きな課題です。

キク科の起源と初期の進化は決定的ではなく、謎に満ちています。 新しい化石証拠とキク科の広範なサンプルを使用した最近のキク科の系統学的研究により、その起源は白亜紀後期（6,900万年前から8,900万年前[MYA]）のどこかにあることが判明しました2,5,9。 既存の化石記録に基づいて、この家族は最近まで比較的若い（40～5000万年前）と考えられており、この時間枠は分子時計によって提供される時間枠と一致しています2、10、11。 古倍数体化現象が提案され、キク科の冠節付近の亜科によって共有されており、最近のゲノム解析では全ゲノムの３倍化であると考えられている10、12、13、14。 さらに、倍数化によってすべての遺伝子が同時に複製され、新機能化などの進化の過程に豊富な遺伝物質が提供されることを考慮すると、いくつかの部族内で頻繁に起こる潜在的な古代全ゲノム重複（WGD）が進化を推進し、生物多様性を増加させる力であると推定され、予測されています。機能低下、および用量効果による遺伝子保存 13,15。 倍数化に関する洞察により、最先端の配列決定技術を利用して高品質のゲノムを掘り下げることにより、キク科の特定の形質の遺伝的基盤を実現可能にすることができます。