同じリードで核 DNA と葉緑体 DNA を読む手法

Eranga Pawani Witharanaさんを筆頭著者とする、本研究室を中心とした研究グループは、葉緑体ゲノム解析に用いるものと同じシーケンシングリードから核DNAの系統情報も効率的に取得し、両者を一体的に比較できる手法を示しました。

植物の進化史や分類を調べる系統解析では、葉緑体（cp）ゲノムが広く用いられます。葉緑体ゲノムは比較的小さく解析しやすい一方、多くの被子植物では片親性（多くは母系）に遺伝するため、両親由来の核DNAとは異なる系統シグナルを示すことがあります。このため、葉緑体ゲノムだけでは進化関係を十分に解像できない場合があります。

より網羅的な系統情報を得るためには、両親から遺伝される核DNAの情報も重要です。核DNAはcpDNAよりも包括的な遺伝的視点を提供します。しかし、核DNA全体の情報を得るためには、かつては高額なコストがかかるという課題がありました。近年、費用対効果の高い核DNAデータの取得方法が登場してきましたが（例: target capture, RNA sequencing）、葉緑体データと核DNAデータを別々に準備する必要があるのが一般的です。

この研究では、この課題を解決するため、葉緑体ゲノムの解析に用いたのと「全く同じ」生（未処理の）リードシークエンスデータから、核DNAの系統情報を得るための新しい手法の開発と検証に焦点を当てました。

そこで活用したのが、Read2Treeという新しい計算ツールです。Read2Treeは、生リードシークエンスデータから保存性の高い核遺伝子配列を直接、かつ効率的に抽出することを可能にします。

論文発表後、本研究で用いた解析を再現・応用できるよう、解析パイプラインをGitHubリポジトリ「Eranga-Witharana/rt2-phylogenomics」で公開しました。

Read2Treeの主な特徴と利点

• コスト効率が良い：葉緑体解析と同じ生データを使用できるため、データ取得のコストを抑えられます。
• 網羅的な核データ取得：参照ゲノムガイド方式により、多数の保存された核遺伝子を抽出できます。
• 解析の効率化：遺伝子特定、アライメント作成、系統樹構築までを統合したパイプラインとして機能します。
• カスタムの準備が不要：既存の参照データセットを利用するため、種ごとの特別なプローブセットやデータベースを設計・検証する手間が省けます。
• 不一致の原因解析に有用：個々の遺伝子アライメントデータも出力するため、系統間の不一致（遺伝子系統樹と種系統樹の不一致など）の原因を探るための分析に活用できます。

手法の検証：ミカン亜科植物を例に

この新しい手法（Read2Treeを用いた核DNA系統解析）の効果と有用性を検証するために、本研究ではミカン亜科（Aurantioideae）という植物のグループを対象としました。ミカン亜科はミカンとその近縁種を含む重要なグループですが、その系統関係には複雑な部分があります。

本研究では、Read2Treeを用いてミカン亜科（Aurantioideae）39種の保存性の高い核遺伝子配列を取得し、同じ生リードから構築した葉緑体ゲノム系統樹と比較しました。

• 既存の核DNA手法との比較：Read2Treeで得られた核DNA系統樹を、先行研究でRAD-Seqという別の核DNA手法で得られた系統樹と比較しました。Read2Treeの信頼性を評価する目的です。
• 葉緑体系統解析との統合：同一の生データから葉緑体ゲノムの系統樹も構築し、Read2Treeによる核DNA系統樹との比較を行いました。これは、「cytonuclear discordance」と呼ばれる葉緑体と核DNAの系統の食い違いを調べるためです。
• 系統不一致の原因解析：Read2Treeが出力した個々の遺伝子アライメントデータを用いて、他の手法（D-statistic, DFOIL, QuIBLなど）と組み合わせることで、観察された系統不一致が「不完全遺伝子系統仕分け（ILS）」や「遺伝子移入（Introgression）」、「古代の遺伝子移入（ancient introgression）」といった複雑な進化プロセスによって引き起こされているかを詳細に分析しました。

得られた成果（手法の有効性）

この研究の結果、以下の点が明らかになり、Read2Treeを用いた手法の有効性が示されました。

• 核DNA系統樹の比較：Read2Treeによる核DNA系統樹は、先行するRAD-Seq研究の系統関係とおおむね一致しました。ただし、一部の分類群の位置は引き続き不確実であり、すべての分岐が確定したことを意味するものではありません。
• データ再利用による効率化：同じshort-readデータを葉緑体ゲノム解析と核DNA系統解析の双方に利用できるため、別々のシーケンスデータを用意する方法より費用効率が高いことが示されました。これは正式な経済評価ではなく、データ取得・再利用上の利点を示すものです。
• 系統不一致の解析：複数の解析結果は、不完全遺伝子系統仕分け（incomplete lineage sorting; ILS）が観察された不一致の主要因であることを示唆し、特定のクレードでは遺伝子移入（introgression）や古代の遺伝子移入も寄与した可能性を示しました。

まとめ

本研究は、Read2Treeを用いて同じ生リードから保存性の高い核遺伝子を取得し、葉緑体ゲノム系統樹と比較できることを示しました。これにより、両者の系統不一致に対するincomplete lineage sorting（ILS）やintrogressionの寄与を検討できます。一方、一部の分類群の位置は不確実であり、すべての分岐を確定した研究ではありません。

この手法は、今後の植物の系統学研究において、より詳細で信頼性の高い進化の歴史の解明に貢献する可能性を秘めています。

食材研究への応用可能性

以下は、本研究で検証した系統解析手法から考えられる応用可能性です。品種改良、食味、栄養価、病害抵抗性を本論文で直接検証した結果ではありません。

例えば、本研究で検証に用いたミカン亜科のように、食用や薬用として世界中で利用されている重要な植物グループがあります。これらの植物の正確な系統関係や、交雑（ハイブリダイゼーション）といった複雑な進化の歴史を理解することは、農業における品種改良や、将来の食料資源となる貴重な遺伝資源（野生種など）の保全や活用にとって非常に重要です。

Read2Treeを用いたこの新しい手法は、葉緑体DNAと核DNAの両方から、同じデータを使って効率的に情報を得られるため、これまでは難しかった多くの食用植物について、より網羅的かつ詳細な系統解析が可能になります。

さらに、不完全遺伝子系統仕分け（ILS）や遺伝子移入といった複雑な遺伝的プロセスを解析できることは、食用植物が持つ多様な性質（高い栄養価、特定の風味、病害虫への耐性など）が、進化の過程でどのように獲得・維持されてきたのかを遺伝的なレベルで理解するための基礎となります。

このように、本手法は、食材となる植物の多様性の理解を深め、より良い品種の開発や持続可能な資源利用に向けた研究を推進するための、重要な基盤を提供すると言えます。