Trendy セミナー   2010-12-20 (Mon) 16:30-18:00   北大・大学院地球環境 地球環境 A 棟 809

日本固有高山植物における系統地理:
隔離分布の歴史とフィトクロムにおける自然選択
Phylogeographic study of alpine plants in the Japanese archipelago:
vicariance history and natural selection on phytochromes

池田啓 (東京大学大学院理学系研究科)
Hajime IKEDA (Graduate School of Science, University of Tokyo)

分子マーカーを用いた野生集団における変異解析が盛んに行われることで、近年、系統地理学の研究が盛んに行われるようになってきた。その結果、様々な生物における生物地理学的な考察がなされている。本発表では、日本列島における高山植物の遺伝構造を明らかにした系統地理学の研究を発表する。そして、従来的な生物地理学の考察に加え、系統地理学から地域適応の遺伝的基盤を明らかにする進化研究への展開の可能性を議論する。

日本に分布する7種の高山植物(ミヤマキンバイ[バラ科]、イワウメ[イワウメ科]、ミネズオウ、ツガザクラ、アオノツガザクラ、コメバツガザクラ[ツツジ科]、ミヤマタネツケバナ[アブラナ科])を用いた比較系統地理学を行った結果、ツガザクラとコメバツガザクラを除く5種の高山植物で、中部地方と東北・北海道(北日本)の間における明瞭な遺伝的分化が見られた。さらに、10個の核遺伝子の塩基配列多型を用いた、集団遺伝学のモデル(IMモデル)に基づく解析の結果、ミヤマタネツケバナにおける南北分化は、約11万年前(最終間氷期)以降の地理的隔離を反映していることが示された。これらのことは、日本列島の高山植物が、更新世の氷期-間氷期のサイクルに伴う分布変遷において、北日本と中部地方で、互いに隔離された 独立の歴史を経てきたことを意味している。

こうした生物地理学的な知見を明らかにする一方で、ミヤマタネツケバナにおける候補遺伝子の変異解析から、PHYE(赤色光受容体フィトクロムの一つをコードする遺伝子)が自然選択を受けて進化していることが明らかとなった。特に、中部地方と北日本の間には、非中立に蓄積したアミノ酸置換が固定しており、PHYEが南北地域間における地域適応に関わる可能性が考えられた。さらに、ツツジ科コメバツガザクラにおける核遺伝子を用いた系統地理からも、PHYEが自然選択に伴った南北分化を持つことが示された。これらの発見は、系統地理学が、従来的な生物地理的知見を深めるだけでなく、適応進化の遺伝的基盤を理解するための有効なツールであることを示唆している。

Given the recent advance of molecular approach for ecological studies, a number of phylogeographic studies have been conducted, from which biogeographic history has been inferred for various species. In this talk, I will show phylogeographic studies of several Japanese alpine plants. Particularly, added to the biogeographic inferences, I will discuss the future challenge of phylogeography for unraveling the genetic basis of adaptive evolution.

Phylogeographic studies of seven Japanese alpine plants (Potentilla matsumurae [Rosaceae], Diapensia lapponica [Diapensiaceae], Loisereulia procumbens, Phyllodoce aleutica, Phyllodoce nipponica, Arcterica nana [Ericaceae], Cardamine nipponica [Brassicaceae]) exhibited that all species but for A. nana and P. nipponica harbored genetic differentiations between populations in central and northern Japan. According to a population genetic analysis based on IM model using sequence polymorphisms from 10 nuclear loci of C. nipponica, the genetic differentiation of this species caused by geographic isolation after the last interglacial period (ca. 110,000 years before present). These results indicate that alpine plants experienced isolated history between populations in central and northern Japan.

In addition to the biogeographic inferences, my investigation on polymorphisms on candidate genes revealed that PHYE (a gene encoding one of plant photoreceptors that receive red and far-red light) was evolved under natural selection in C. nipponica. In particular, alleles in northern and central Japan were distinguished by amino acid replacements that were accumulated in non-neutral manner. Therefore, PHYE would be involved local adaptation between northern and southern Japan in C. nipponica. Furthermore, phylogeographic investigation of Arcterica nana using nuclear sequences showed that solely PHYE exhibited a genetic differentiation between northern and southern Japan. This differentiation was characterized by amino acid replacements evolved under natural selection, implying the involvement of PHYE of A. nana in local adaptation. These finding suggests that phylogeographic studies can elucidate not only biogeographic histories but also genetic basses of adaptive evolution.


Trendy Seminar http://hosho.ees.hokudai.ac.jp/~trendy/2010/
世話役:藤沼潤一
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北海道大学大学院環境科学院 植物生態学