植物共生細菌の遺伝変異がもたらす自然選択と間接遺伝効果による森林生態系機能の制御

通过自然选择和植物共生菌遗传变异带来的间接遗传效应控制森林生态系统功能

基本信息

批准号：
16J03194
负责人：
鍵谷進乃介
金额：
$ 0.19万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-04-22 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究課題における仮説は「共生細菌の間接遺伝効果が、寄主植物の表現形質の変異を介して、関連する昆虫群集構造を変えている」である。それに対し、2018年度には、ホスト樹木個体内における共生細菌の遺伝的多様性に注目し、以下の疑問の検証を行った： (1）ホスト個体内の共生細菌群集がどのように形成されているか、 (2) ホスト個体内における共生細菌の多様性によって植食性昆虫の成長が異なるか。(1)の疑問を検証するため、ケヤマハンノキと窒素固定細菌フランキアの共生系を対象として、ホスト樹木の根圏土壌における共生細菌集団のメタゲノム解析を行った。また、疑問(2)の検証のため、植食昆虫2種を使った摂食実験を行った。その結果、樹木の遺伝的変異と共生細菌の遺伝的組成の違いは、それぞれ、捕食性昆虫と植食性昆虫という異なる機能群の昆虫に対して影響を及ぼし得ることが示唆された。加えて、ケヤマハンノキ個体がもつ共生細菌の遺伝的な組成は、寄主植物の共生最適化機構によって形成されていることが、フランキアDNAのメタゲノム解析の結果から示唆された。以上より、ケヤマハンノキ個体間での共生細菌の遺伝的組成の違いは、樹木個体間での最適化機構の変異によって生み出されていると考えられる。また、この最適化機構に関わる機能的形質の違いは、土壌中の細菌群集を含む局所的な選択圧のパターンによって選択を受けている機能遺伝子の変異によって、生み出されている可能性が考えられる。これにより、ケヤマハンノキに対する選択圧を及ぼしている主要な植食者の成長と共生細菌組成との間の関連性として表れていたのだろう。以上から、野外森林生態系における、共生細菌群集を含む選択圧による樹木遺伝変異は植食者群集へ、中立的な遺伝変異は揮発性物質などの形質変異を通して捕食者群集へ、それぞれ異なるプロセスを経て生物群集の形成に貢献しているだろう。

该研究项目的假设是“共生细菌的间接遗传效应通过宿主植物表型性状的变化改变相关昆虫群落结构。”为此，2018年，我们重点研究了寄主树个体内共生细菌的遗传多样性，并验证了以下问题：（1）寄主树内的共生细菌群落是如何形成的？（2）草食性昆虫的生长是否存在差异？宿主个体内共生细菌的多样性？为了验证问题（1），我们针对桤木与固氮细菌Frankia之间的共生系统，对寄主树根际土壤中的共生细菌群体进行了宏基因组分析。此外，为了验证问题（2），我们使用两种草食性昆虫进行了饲养实验。结果表明，树木的遗传变异和共生细菌遗传组成的差异可以影响昆虫的不同功能群：分别是掠食性昆虫和草食性昆虫。此外，Frankia DNA宏基因组分析结果提示，桤木桤木个体共生菌的遗传组成是由寄主植物的共生优化机制形成的。综上所述，认为桤木树间共生菌遗传组成的差异是由个体树间优化机制的差异造成的。此外，与这种优化机制相关的功能性状差异可能是由功能基因的突变产生的，这些功能基因是由局部选择压力（包括土壤中的细菌群落）模式选择的。这可能表现为主要食草动物的生长与对桤木施加选择压力的共生细菌组成之间的联系。综上所述，在室外森林生态系统中，包括共生细菌群落在内的树木遗传变异影响草食动物群落，而中性遗传变异则通过挥发性物质等性状变异影响捕食者群落，每个过程都有不同的过程。过程中，它们可能有助于生物群落的形成。