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ヒガンバナ属の系統Phylogeny of Lycoris, Amaryllidaceae

真実の系統樹は唯一つ。現状ではすべてが仮説。しかし真実により近い仮説もあるに違いない。

 C.ダーウィンのみならず、なぜか生物に興味を抱く人々の多くは、それぞれの種の由来、つまり類縁関係(系統=進化過程)を知ることを願う。
 その結果、
 現代の私たちは、生物の進化の道程に関する情報をどんな形質よりもたくさんとどめているDNAという分子の存在を知り、その情報を読み取り系統樹を構築する方法を、完璧とはいえないまでも、知っている。
 しかし、この方法が開発される以前は、形態学的情報や細胞学的情報に基づいてさまざまな分類群の系統関係を推定し、その結果として得られる系統樹を反映した分類体系を自然分類と呼んできた。

<形態情報から見たヒガンバナ属の系統>
 この古典的な体系の中では、ヒガンバナの仲間は種子植物門、被子植物亜門、単子葉植物綱、ユリ目、ヒガンバナ科のヒガンバナ属としてまとめられている。
 この分類系のヒガンバナ科の定義は分類学者により異なる。
 極端な例はクロンキスト(Cronquist, 1981)だが、彼はヒガンバナ科という分類群を認めず、ヒガンバナ属はユリ型の花を咲かせる280属約4000種からなるユリ科(Liliaceae A.L. de Jussieu 1789)に入れている。
 一方、より詳しく下位分類群間の類縁を解明しようとする立場の研究者は分類群間の隔たりの程度に注目して科の範囲を絞ろうとする。例えばダールグレン・クリフォード・エオ(Dahlgren, Clifford & Yeo, 1985)はクロンキストのユリ科を40余の科に細分している。
 ダールグレンたちの分類によるヒガンバナ科は59属約860種で構成されていて、ほとんどが南アフリカ(サハラ砂漠以南に20属)と南アメリカ(28属)に分布している。次いで多いのはアフリカに接する地中海域でアジア・オセアニアにも一部が分布しヒガンバナ属はその一つである。中米にも少数が分布するが、なぜか北アメリカには分布していない。

 ヒガンバナ属はヒマラヤ東部から日本にかけての照葉樹林帯に分布する、円柱状無毛で光沢のある中実の鱗茎の先端に5〜10個の小花柄のある花をつけ、リコリンなどのアルカロイドを含む約30ほどの分類群からなるよくまとまった属である。
 だが、その一員として分類されているヒガンバナ科の多数の他の属の中でヒガンバナ属はどのグループと類縁関係が深いのだろう。

 ヒガンバナ属の植物と形態学的に最もよく似たそれは、トルキスタン地方の瓦礫地や砂丘を中心に東は天山山脈の西端、西はイランの南西部わたって12種が知られているウンゲルニア属(Ungernia)である。
 春に葉が伸展し初夏には枯れ、葉の枯れた後に花が咲く、花茎は中実、葉の表皮細胞表面に蛍光を発する線状隆起がある、など多くの形質をヒガンバナ属と共有しているが、花糸と花柱が直線的で(ヒガンバナ属は湾曲する)、扁平で翼のある多数の種子(ヒガンバナ属は平滑で球形)をつくるなどの違いもある。
Ungernia serwerzowii Ungernia victoris

こうした違いを別とすれば形態的にはキツネノカミソリなどに大変よく似ている。

 染色体に関する情報は少ない(Zahalbera, O.E. & Makushenko, L.M. 1968, Kurita, S. Unpub.)が報告された限りではすべて2n=22で、数字上はヒガンバナ属のそれと同じである。しかし核型を詳しく比較すると2属間で違いがあることがわかる。
 ヒガンバナ属で2n=22の染色体数をもつものの染色体構成は〔22A〕である。ところがウンゲルニアのそれは〔2M+8T+12A〕でかなり異なる。また染色体長で比較するとヒガンバナ属と違って [M+T] < [A] となっている。
 1対のM染色体の腕の一つ失われればヒガンバナ属の22Aタイプに近づくが、逆もありうるだろうから、どちらの核型が祖先型に近いのかは決めかねる。しかし、この2属が近縁であることは確かだろう。
 ではこの2属に最近縁の分類群は何だろう。

A metaphase karyoplate of Ungernia tadshikorum.
2n=22(NF=24)=2M+8T+12A
Karyogram of U. tadschikorum : [M+T] < [A]
花の形態が極似し染色体数も2n=22で共通するという理由から南アフリカが原産地のネリネ属(Nerine)が最近縁属とみる研究者も多かったが、交配しても雑種を作ることができなかったり、花粉や胚珠の構造も違うのでこの説をは疑問視する研究者もいた。
 核型も〔2M+8m+12A〕で染色体のサイズも小さく、ヒガンバナ属のそれらとは大きく異なり、形態情報からはけして近縁とはいえない分類群である。

 
Nerine sarniensis 2n = 22= 2M+8m+12A

 このように、現時点では外部形態、内部形態、核型などの形態情報のみではヒガンバナ属の系統学的位置を確定することはできない。
 そこで、分子レベルでの遺伝子解析技術(DNAの塩基配列の比較解析)をもちいて系統樹の構築が試みられた。

<ヒガンバナ科の分子系統>
 どんな形質を共有する植物をヒガンバナ科として括り、またそれをどのようにグループ分けするかは研究者によって異なるが、どの説が分子データをもちいた系統解析の結果に近いのだろうか。
 rbcL遺伝子をターゲットにしての解析(Duvall et al., 1993)ではすでにヒガンバナ科(sensu Dahlgren et al., 1985)を含むキジカクシ目(Asparagales)が単系統群であることが示されていたが、この群のうちのどの分類群がヒガンバナ科に最も近縁なのかははっきりわかっていなかった。また、ヒガンバナ科内部の分類群〔属〕の類縁関係にも不明な点が多い。
 これらを明らかにするためにrbcL遺伝子より情報量の多いmatK遺伝子の塩基配列を読んで比較した。用いた材料はヒガンバナ科の31属31種とその周縁の10科21種である。
 得られたデータは最節約法と近隣結合法で解析して系統樹を描いた。

 その結果下記のことが明らかになった。

@ ダールグレンたちの考えたヒガンバナ科は良くまとまった単系統群であり、ヒガンバナ属とウンゲルニア属は最近縁関係にあり、スイセン属やガランサス属などと近縁な一つのクレードに入っている。
A ヒガンバナ属によく似た[M+T]タイプの核型が観察されるネギ科のハタケニラ属(Nothoscordum)やツルバギア属(Turbaghia)は系統的にはヒガンバナ科からはかなり離れたものであった。ただし、trnL-Fを読んで構築した系統樹(Meerow, et.al.,1999)ではネギ科はヒガンバナ科の姉妹群である。
Bハマオモト属(Crinum)のように海流によって分散できるものを除けば、同一地域、に分布している分類群は一つのクレードにまとまり、それぞれの類縁は近い。分岐順序の遅いものほど派生的だと考えられるので、先ず現在の南アフリカにあたる地域に分布していた共通祖先がヒガンバナ科の始祖(原ヒガンバナ科)となったと考えられる。この原ヒガンバナ科の一群がアフリカ南部に分布しているアマリリス属(Amaryllis)、ネリネ属(Nerine)、ブルンスビギア属(Brunsvigia) などである。原ヒガンバナ科の一部はさらに (a) アフリカの熱帯以南に分布するキルタンサス属(Cyrtanthus); (b) アフリカ南部のクンシラン属(Clivia)、マユハケオモト属(Haemanthus)、センコウハナビ属(Scadoxus); (c) インドネシアとオセアニアに分布するカロステンマ属(Calostemma)、ユーリクレス属(Eurycles)、(d) 地中海沿岸域から南ヨーロッパとアジアおよび中南米に分布する多数の属の祖先となった分類群の4つの系統に分岐している。これらのうち(d)の系統はアジアに分布するヒガンバナ属(Lycoris)+ウンゲルニア属(Ungernia)のクレードと地中海沿岸域から西アジアに分布するスイセン属(Narcissus)・ユキノハナ属(Leucojum)・パンクラチュウム属(Pancratium)などをふくむクレード、ならびに中米以南に分布する多種多様な分類群を包括するクレードから構成されている。つまりヒガンバナ科では地理的分布が系統分岐の過程をきれいに反映しているといえる。 図9・9
 詳細は次の原著論文(PDFファイル)を参照されたい。
Phylogenetic Relationships of Amaryllidaceae Based on matK sequence Data,
J. Plant Res. 112: 207-216, 1999)

img060-matK.phylogeny.amaryllidaceae.pdf へのリンク

<分子系統樹からみた原ヒガンバナ科の地理的分散の歴史>
 前項にも書いたが、現在のヒガンバナ科を構成する59属の80%近くがアフリカ大陸南部と南アフリカ大陸に分布し、北アメリカにはメキシコ湾岸の2属を除けば分布していない。
 このような分布パターンが成立した背景には何があったのか。
 葉緑体遺伝子matKの塩基配列に基づいた分子系統樹からはいろいろなことが想像できる。その一つはアフリカ南部に生まれた原ヒガンバナ科が各地に分散して行き現在の分布パターンに達する過程である。
 常識的な想像はMeerow, A.W., et al. (1999)が主張するように南アフリカに起源した原ヒガンバナ科が北上して地中海域に分布を広げ、その一部が西アジアを経て東アジアへ(その子孫の一つがヒガンバナ属)、さらに分布を伸ばして北米からパナマ陸橋を通って南アメリカに分散してそこで適応放散を果たしたという説である。ではなぜ現在の北米にはヒガンバナ科が見られないのだろう。最終氷期に北米大陸を覆った巨大氷床が一掃したからに違いないと彼らは説明している。

 しかしこの説には一つ大きな問題がある。新天地の南アメリカへと渡っていったことになるパナマ陸橋が南北両大陸を結んだのはわずか200万年前で、この程度の短期間に28属数100種にも進化できたのだろうか。少なくても数1000万年は経過しているであろう南アフリカですら20属に留まっているのである。
 確かにアフリカの大地溝帯に連なるヴィクトリア湖やタンガニーカ湖に棲息するカワスズメ科のシクリッド類のように数100万年で900種にも多様化を遂げたものもる。一方、ヒト科のゴリラ属やチンパンジー属のように700万年間に数種にしか分化していない分類群もある。
 カワスズメのケースでは湖の出現した年代とその後の変遷が明らかであり、ヒト化の場合は化石記録があるためにその分類群で種分化の始まった時期が特定できるが、ヒガンバナ科の場合はそのようなものがなく、いつ原ヒガンバナ科が出現したのかは今のところ決めることができない。
 
 いま一つは、化石記録が存在しないと言う意味で現時点では非常識的な想像ではあるが、原ヒガンバナ科は南アメリカとアフリカ大陸がまだ一つの陸塊となっていたゴンドワナ大陸の時代に出現して、超大陸がアフリカと南アメリカ大陸に分裂を始める以前にあるていどの多様化を遂げていたのではないかという説である。現在のアフリカと南アメリカに集中して分布していることに符合する。この場合、北米大陸に分布していないのは氷床のせいではなく、パナマ陸橋を超えて分布を広げるまでの時間が足りなかったということになる。ローラシア大陸へはテーチス海が消えてゴンドワナと連結した後に現在の地中海域に当たる地方へ分散したと考えられる。
白亜紀中期〔約1億年前〕の大陸の配置  青点は現在ヒガンバナ科が分布している位置
第3紀漸新世(約3000万年前)の大陸の配置

<ヒガンバナ属内の分子系統>
ヒガンバナ属内の分類群間の関係も分子データを使って検討された。

 核型からはこの属が[M+T]ゲノム群と[A]ゲノム群から構成されていることは明らかになったが、どちらのゲノムが祖先型なのかについてはゲノムサイズの大きい[M+T]型をプリミティブと推定するに止まった。

 GISH法で観察した結果は、両ゲノムははっきりと遺伝的に分化していた。予想以上にこの二つのゲノムは分かれてからの長い歴史があるようだ。しかし、ウンゲルニアなどの外群を用いての研究はまだ行われていないのでどちらが祖先型に近いのかは決めることができていない。
 GISHのデータについては下の論文のPDFファイルを参照されたい。 
  Genome Differentiation in Lycoris Species (Amaryllidaceae) Identified by Genomic
     in situ Hybridization
   
img001-GISH.pdf へのリンク
 属内種間の類縁関係の解析にはmatKのデータも使われた。

 下図(図10:川本篤史、1998)はその解析結果の一つである。この解析ではクンシラン属(Clivia)とスノーフレーク属(Leucojum)を外群とした。
 従来の外部形態と地理的分布からの推定と一致してウンゲルニア属(Ungernia)がヒガンバナ属の外に位置していた。
 この葉緑体の遺伝子の系統樹をもとにヒガンバナ属の核型の進化過程を考察すると二つのルートを仮定できる。
 A: 一つは、今まで知られた多くのケースがこれにあたるが、ヒガンバナ科の葉緑体遺伝子の分岐が核遺伝子の分岐と一致している場合である。
 B: 今一つは種分化の過程で交雑が起こり、形成された雑種と母種あるいは父種との間に戻し交配が繰り返され結果として母種の葉緑体と父種のゲノムがセットとなった新たの分類群が形成される、いわゆるクロロプラスト・キャプチャー(chloroplast capture)が起こっている場合である。
 ヒガンバナ属(Lycoris)のクレードの出発点の核型はM染色体の少ないウンゲルニア属(Ungernia)型であったのかM染色体が多い外群のスノーフレーク属(Leucojium)型であったかは決められないが、ヒガンバナ属(Lycoris)としてまとまっているクレードには「M+T」ゲノム種のみのクレード(L. aurea, L. longituba)と「M+T]ゲノム種( L. traubii, L. chinensis)+[A]ゲノム種(L. sprengeri, L. sanguinea, L.radiata)が混在するクレードがある。
 Aの場合だとすると、先ず「M+T]ゲノムと[A]ゲノム群に分かれ、その後に[A]ゲノムから再び[M+T]ゲノムが分化した、あるいは原ヒガンバナが[M+T]ゲノムでありそこから[A]ゲノムが分化したとみることができるだろう。
 Bのケースならば、L. chinensisL. traubiiは[A]ゲノムの母親と[M+T]ゲノムの父親との間の雑種[M+T+A]が[M+T]ゲノムの卵を形成し、これが父親の[M+T]ゲノムの花粉を受精し、母親からの葉緑体と父親のゲノムのみの核をもった種になったと考えることができるだろう。

 
GISHの結果が示すように[A]ゲノムと[M+T]ゲノムは分化が進んでいるが、しかし、matKの解析で得られた系統樹では[A]ゲノムが先か[M+T]ゲノムが先かの問題は決定できない。

外群に使ったスノーフレーク属(Leucojium)の中期核板
2n = 14= 6M+4sm+4A

我々はRAPD(Random amplified polymorphic DNA:増幅断片多型)による系統樹も描いてみた。

  ここでも[M+T]ゲノムのL. traubiiは[A]ゲノムのL. sprengeri, L. sanguineaと同じクレードにまとまっていた。またこの論文は交雑により誕生したと考えられてきた不稔性の分類群の多くの推定親が支持された。例えばL. albifloraの親となった種の一つががL. traubiiであることなどが示唆された。
  詳細は下記の論文のPDFファイルを参照されたい。
  Identification and Classification of the Genus Lycoris Using Molecular Markers
      img065-RAPD.pdf へのリンク

RAPD法によるデータに基づいた分岐図の一つ

 次いで我々はmatK遺伝子、atpB遺伝子とrbcL遺伝子との間にあるスペーサー(IGS)の塩基配列を11種27系統において決定して、これを元に系統樹を描いた。

 その結果4つのクレードが認識された。atpB-rbcL IGSのみの解析の結果(Fig.4 in the text)は[A]ゲノム分類群が祖先型で[M+T]ゲノムの多くは系統樹の枝の先端近くで派生したことを示唆していた。このデータのみで考えれば[A]ゲノム内でのロバートソニアン結合(Robertsonian fusion)によりL. longitubaとL. chinensisの[M+T]ゲノムが誕生したとみることができる。
 しかし、matK のデータを加えて描いた系統樹(Fig.5 in the text)では[A]ゲノムが祖先型と断定することはできず、[M+T]ゲノム内でのロバートソニアン切断(Robertsonian fission)により[A]ゲノムが派生した可能性も否定できない。

 詳細は下の論文(PDFファイル)を参照されたい。
 Geneti variation in the chloroplast genome and phylogenetic clustaring of Lycoris species
      img003-cpDNA.phylogeny.lycoris.pdf へのリンク

<分子データからみたヒガンバナ L. radiata var. radiata, 2n=33 の種内変異と起源>

 既に核型の進化のページで述べてあるように、日本産のヒガンバナは調べられた限りではすべて2n=33の3倍体で、その核型はいくつかの例外を除けは一定している。これはヒガンバナが球根の分裂のよって分布を広げている単一のクローンであることを示唆する。また、中国には稔性の高い2倍体のヒガンバナが3倍体とともに分布していることから、日本のヒガンバナは中国から渡来したものと考えられている。
 これらの仮説は分子データからも裏づけが取れるのであろうか。

 そこで我々は宮城県から鹿児島県にわたる11集団からから採集した3倍体と中国の4集団からの3倍体、ならびに中国の莫干山と温州産の2倍体をもちいて遺伝的変異を解析した。
 解析に用いた遺伝子は核DNAのなかのレクチン遺伝子(lectin gene) と葉緑体DNAのマチュラーゼ遺伝子(maturase gene) である。
 読み取りの結果、これらの遺伝子の塩基配列は日本産の11、中国産の4、それぞれの産地内では変異がなく均一であった。これは3倍体は栄養繁殖によるクローンであることを示している。しかし、日本のクローンと今回調べた中国のクローンとの間には変異があり、中国から日本に渡来したと考えられるクローンが中国のどこに分布していたものかは決めることができなかった。また2倍体と3倍体との間にも違いがみられるので、今後は中国でより広範囲にサンプリングしたものを研究する必要がある。
 さらに、FISH法をもちいて、染色体上のrRNA遺伝子の位置をマッピングしその変異の有無を調べた。その結果、
18S−5.8S-26SrRNAのサイトは6つあり、内2つはサテライト染色体(SAT chromosome)、残りは4本の2次狭窄のない染色体上に、5SrRNAのサイトは4つあって3つは3本の染色体の近動原体域に、1つはSAT染色体の長腕端に位置していた。これらのFISHデータは、Kurita(1986)が核型分析から指摘しているように3倍体ヒガンバナは単純な同質倍数体ではないことを示している。

詳細は次の論文(PDF)を参照されたい。
  Genetic variations in Lycorisradiata var. radiata in Japan, Genes Genet. Syst. (2005)
     80:199−212

      
img068-Genetic.variation.radiata.pdf へのリンク
A) アセトカーミン染色中期核板  B) FISH法による蛍光像。緑点:18S-5.8S-26SrRNA 赤点:5SrRNA


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