葉緑体ゲノムは「固定された設計図」ではない

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、葉緑体ゲノムが数千万年にわたり、ゆっくりと連続的に構造を変えてきたことを明らかにしました。

葉緑体ゲノムと構造ヘテロプラスミー

植物細胞には、核DNAに加えて、光合成を担う葉緑体の中にも独自のゲノムがあります。葉緑体ゲノムは比較的小さく、構造的に安定しているとみなされてきたため、植物の系統・進化研究に広く利用されています。

葉緑体DNAは細胞内に多数のコピーが存在し、核ゲノムの遺伝子座はそれに比べて低コピーです。この多コピー性は、異なる葉緑体ゲノム構造が直ちに一方へ固定されず、同じ個体内で共存する可能性に関係します。核DNAのコピー数は倍数性、細胞周期、組織などで変わるため、細胞あたり一律2コピーとは表現できません。

長い進化時間を通じた構造変化

本研究はミカン亜科（Aurantioideae）28種を解析し、逆位の両端にある53-bpの短い逆向き反復配列（short inverted repeats; sIRs）間の分子内相同組換えによって、葉緑体ゲノムのlarge single-copy（LSC）領域に約22 kbの逆位が生じることを示しました。同じ個体内に2つの構造型が存在する状態をstructural heteroplasmy（構造ヘテロプラスミー）と呼びます。

2つの構造型は、初期中新世までさかのぼる約12.1–28.2 million yearsにわたり複数種で維持されていました。少数型が一部系統で多数型へ移行したパターンは、遺伝的浮動が関与した可能性と整合します。この成果は、葉緑体ゲノムの構造進化が不連続な置換ではなく、進行中の段階的な変化として観察できることを示します。

微量な構造を捉える解析

解析では、構造変化の境界を示すdiscordant paired-end readsとsoft-clipped readsを検出しました。さらにPCRで境界を検証し、低頻度の構造型が単なるシーケンスまたはマッピング上のアーティファクトではなく、実在することを確認しました。

発表・報道

• 佐賀大学 プレスリリース
• 鹿児島大学 プレスリリース
• 鹿児島大学 ウェブページ（日本の研究.comに転載）
• 佐賀大学農学部 ウェブページ
• 鹿児島大学大学院連合農学研究科 ウェブページ

オンライン記事はありませんが、本研究は2026年4月20日付の南日本新聞でも紹介されました。