宿主特化型のアカホシテントウムシのゲノムと広食性の近縁種との比較
一般的なアカホシテントウムシ（Cerambycidae科のカミキリムシ科の一員）が、有毒な植物であるトウワタを安全に摂食できる秘密を解明する研究は、生態学、進化、経済的な観点から昆虫と植物の相互作用に関する理解をゲノムの視点から深めるものです。トウワタとアカホシテントウムシの関係は約150年にわたり研究されてきましたが、アーカンソー農業実験局の科学者がメンフィス大学やウィスコンシン大学オシュコシュ校の同僚と協力し、初めてこの昆虫のゲノムを編纂し、植物摂食やその他の生物学的特性に関連する遺伝子の研究を行いました。
研究の背景と手法
この研究は米国国立科学財団（NSF）の支援を受け、宿主特化型のアカホシテントウムシの全ゲノムをシークエンスし組み立てたものです。その後、ゲノム生物学の側面を、林業に重要な多様な樹木を摂食する外来種である広食性のアジアカミキリと比較しました。
研究は、「Functional and Evolutionary Insights Into Chemosensation and Specialized Herbivory from the Genome of the Red Milkweed Beetle, Tetraopes tetrophthalmus (Cerambycidae: Lamiinae)（アカホシテントウムシのゲノムから得られる化学感覚と特化型植食の機能的および進化的洞察）」という論文名で2024年8月30日に米国遺伝学会のジャーナルJournal of Heredityに発表されました。
「生物学的観点から、長期的な相互作用がトウワタムシとその有毒な宿主であるトウワタの生物学に影響を与えるべきであるという多くの対応関係が示唆されています」と、本研究の主著者であるリッチ・アダムス博士（Rich Adams, PhD）は述べています。「しかし、これまでトウワタムシのゲノムが組み立てられたことはなく、昆虫と植物のインターフェースに関する多くの興味深い質問を解明する扉が開かれました。」
科学的発展
アダムス博士は、トウワタとその昆虫であるトウワタムシ（Tetraopes属）は、生態学、進化、生物学的発展、有毒物質の生化学などの研究において1世紀以上にわたり貴重なモデルとして研究されてきたと述べています。また、植物と昆虫が共進化する際の類似性を示す興味深く説得力のある例でもあると説明しています。
研究チームは、アカホシテントウムシのゲノムにおいてABC輸送タンパク質ファミリーの遺伝子が拡大していることを確認しました。この遺伝子は、トウワタを摂食し、その毒素をテントウムシの体内に保持する能力に関与している可能性があります。トウワタは、心臓細胞の機能を維持するナトリウム、カルシウム、カリウムのバランスに影響を与える毒性の高いラテックスカクテルを産生することで有名です。このゲノム解析は、トウワタの毒性を安全に処理するために進化したテントウムシの遺伝子に関する洞察を提供しました。
「トウワタは、心臓配糖体という非常に危険な毒素を含むほか、他の毒素も多く産生します」とアダムス博士は述べています。「多くの昆虫にとって、これらの毒素はナトリウムポンプとカリウムポンプを阻害します。しかし、このテントウムシはこの毒素に耐性を持つだけでなく、それを保持して捕食者から身を守る方法を開発しました。」
さらに、嗅覚や味覚、植物細胞壁を分解する代謝酵素に関与する遺伝子の違いも明らかにされました。アダムス博士は、この研究が、カミキリムシ科や他の植物食性昆虫における専門化した植物摂食の生態学や進化を探求する新しい視点を提供すると述べています。
農業および人間の健康への応用
今回の研究成果は、農業や林業における害虫がどのように植物を摂食し、駆除の試みに対抗するかを形作る遺伝的要因の理解に役立つ可能性があります。多くの木本植物を消化できる動物は腸内の微生物に依存していますが、多くの植物食性昆虫、特にカミキリムシ科の昆虫は植物細胞壁を分解する能力を水平遺伝により微生物から獲得していることが示されています。
アダムス博士は、昆虫ゲノム内にエンコードされているタンパク質の多様性を調べることで、昆虫の生物学、進化、多様性、および植物との相互作用傾向に関するゲノムの基盤を明らかにできると述べています。
「自然界には、まだ解読されていない驚くべき遺伝子やゲノムの多様性があります」とアダムス博士は語ります。「この多様性を理解することは、農業、林業、そして人間の健康に関する知見をもたらす大きな可能性を秘めています。植物食性昆虫は、その代謝酵素がなければ効果的に植物を摂食できません。」
RNAによる化学感覚の研究
アカホシテントウムシのゲノムDNAの研究に加え、研究チームは雄と雌のアカホシテントウムシの触角からRNAを採取し、化学感覚を通じて配偶者や食物をどのように探し出すのかを調査しました。
「化学感覚生物学、つまり生物がどのように環境を感知するか、例えば宿主植物や繁殖パートナーを感知する方法を学ぶことは、昆虫と植物の相互作用を理解するうえで重要であり、農業や林業においても非常に関連性があります」とアダムス博士は述べています。
RNAプロファイルは、Tetraopes属における初のトランスクリプトーム（転写産物リソース）を提供しました。トランスクリプトームには、特定の組織や細胞群でRNA分子に転写される遺伝子の範囲が含まれています。
ゲノムDNAが遺伝子配列を提供する一方で、RNAは「遺伝子の表現や生成頻度などを含む、より詳細な遺伝子情報」を提供するとアダムス博士は説明しています。
[Nature Biotechnology abstract] [Nature Biotechnology summary]
