葉虫が植物消化を効率化するために見つけた鍵：バクテリアとの共生と遺伝子の水平伝播
葉虫（リーフビートル）は、50,000種以上の記載種を持つ地球規模で多様な昆虫グループであり、すべての草食性昆虫の約4分の1を占めています。葉虫は、地下の根圏や樹冠、さらには水中までさまざまな環境で植物を食べることが知られています。その中には、コロラドポテトビートルのような農業害虫も含まれます。しかし、葉は消化が難しく、栄養が偏っているため、この昆虫たちの進化的成功は驚くべきものです。マックスプランク化学生態学研究所の昆虫共生学部門とマックスプランク生物学研究所の共生研究グループの研究者らは、葉虫が進化の過程でこのような食性の課題をどのように克服してきたのかを解明しました。
外来遺伝物質の役割を理解する
ほぼすべての葉虫が、植物細胞壁の成分を分解するために必要な酵素を産生する外来遺伝物質を自らのゲノムに取り込んでいます。たとえば、ペクチンを分解する酵素「ペクチナーゼ」は、多くのバクテリアによって代謝されるものの、人間には消化できない食物繊維です。葉虫の約半数は、共生バクテリアと密接に関係しており、これらの共生体が消化酵素を供給することで葉虫の栄養吸収を助けています。また、ビタミンや必須アミノ酸も供給されることがあります。
「これらの消化酵素は葉虫の生存に欠かせません。しかし、どの種が共生バクテリアを必要としているのか、また必要としていないのか、さらにペクチナーゼがどこから来たのかについてはまだ断片的な理解しかありません」と語るのは、研究の筆頭著者であるロイ・キルシュ博士（Roy Kirsch, PhD）です。
ペクチナーゼ進化の動的な歴史
研究チームは、世界中から収集した74種の葉虫を対象に、ゲノムおよびトランスクリプトーム解析を実施しました。この比較解析により、葉虫がどのようにしてペクチナーゼを進化させてきたのか、またどのように共生体に依存しているのかが明らかになりました。解析の結果、大部分の葉虫は水平遺伝子伝播によって獲得した自前のペクチナーゼ、または共生バクテリア由来のペクチナーゼのいずれかを使用していることがわかりました。興味深いことに、両者が同時に存在する種は見つかりませんでした。
「ペクチナーゼを自らのゲノムに持つ葉虫と、共生的に獲得する葉虫の二分的な分布は、この研究の最も驚くべき発見の一つです。このパターンは、水平遺伝子伝播と共生がどのように葉虫の進化と消化能力に影響を与えたのかについて新たな疑問を提起します」と、共生研究グループを率いるハッサン・サレム博士（Hassan Salem, PhD）は述べています。
共生と水平遺伝子伝播の役割
研究結果は、ペクチナーゼの進化が動的であり、水平遺伝子伝播と共生体の取り込みが交互に起こることを示しています。サレム博士は、「共生が確立されると、以前の水平遺伝子伝播によって得られたペクチナーゼは共生体のペクチナーゼに置き換えられる可能性があります。共生体のペクチナーゼは、新しい活性や効率的な分解能力を持っているかもしれないからです」と説明しています。また、共生体が消化酵素や必須栄養素を追加で供給することで、さらなる利点が得られます。
葉虫の進化的成功への道筋
今回の研究は、葉虫が水平遺伝子伝播とバクテリアとの共生を繰り返すことで、植物食に迅速に適応し、進化的成功を収めたことを示しています。
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