百年植物標本が示すブドウのピアース病の起源

2025-01-07 Tue
百年草本標本を通じて解明されるブドウ樹ピアス病の伝搬史：研究レビューブドウ樹のピアス病（Pierce’s Disease, PD）は、ブドウ産業を脅かす深刻な植物病害であり、Xylella fastidiosa（キシレラ・ファスティディオーサ）という細菌の中の subspecies fastidiosa （以下、Xff）によって引き起こされる。しかし、この病原菌の地理的起源、アメリカ大陸への伝来時期、伝搬経路には多くの科学的議論があります。これらの問題に答えるべく、Monica A. Doneganら、カリフォルニア大学バークレー校（University of California, Berkeley）、フランス国立自然史博物館（Museum National d’Histoire Naturelle, CNRS, Paris）他の研究機関が率いる学際チームが画期的な研究を遂行しました。彼らは1906年に収集されたブドウ樹の草本標本から、この植物病原菌の完全な古ゲノムを復元し、包括的な系統発生解析を行い、時間軸と地理的経路を再校正しました。この研究成果は2025年に《Current Biology》に発表され、生物地理学、植物病理学、歴史ゲノミクスなどの分野において貴重な科学的寄与を提供しています。
研究背景と目的Xylella fastidiosa は、世界中で多くの重要経済作物の病害を引き起こす植物病原菌として知られています。例えば、ブドウ樹のピアス病だけでなく、オリーブや柑橘類に対しても脅威を与えています。その北米における「侵入プロセス」に関しては、長年にわたり二つの主要仮説がありました。一つ目は、Xffがアメリカ南東部を起源とし、一部のブドウ原種（Vitis spp.）の耐病性がこれを支持しているというもの。二つ目は、Xffが過去数百年間に中米から北米に侵入した外来病原菌であるとする説です。これまで十分な古代ゲノムデータが欠けていたため、この二つの仮説に対する証拠には限界がありました。
草本標本として保存された植物試料からDNAを復元する技術により、植物病害の歴史的な進化プロセスを解明することが可能です。これまでこの技術は、ペスト菌（Yersinia pestis）やアイルランドのジャガイモ飢饉を引き起こした病原体（Phytophthora infestans）の研究に成功を収めてきましたが、Xylella fastidiosa の歴史的ゲノムの復元はこれまで行われていませんでした。本研究では、1906年に保存されたブドウ樹標本から古代DNAを抽出しゲノムを復元することで、Xffの伝搬史に新たな時間的深さと進化的視点を提供しました。
研究方法この研究では段階的な包括的アプローチを採用し、以下の主な手法を使用しました：
1. 試料採取とDNA抽出研究チームはカリフォルニア大学デイビス校の植物多様性センターにある草本標本館から病気の症状が記載されている10点のブドウ樹標本を選びました。その中で、番号がDAV238006の標本は、ピアス病特有の症状（枯れる、葉のない葉柄）が見られました。この標本は1906年に収集され、本研究で唯一Xylella fastidiosaの存在が検出されたものです。チームは定量PCR技術を用いてXffの存在を確認し、次いでIlluminaハイスループットシーケンシングにより6500万対のペアエンドリードを生成、ゲノム構成を正確に解明しました。
2. 古代DNAの特性とゲノムアセンブリ古代DNAは一般的に高度に断片化され、端部に脱アミノ化が見られることが知られています。研究チームはそのような特性を念頭に置き、データ修正とアーティファクト除去処理を実施しました。詳細なシーケンスと専用ツール（MapDamage2）を利用した後、DAV238006標本からほぼ完全な古代Xffゲノム（Herb_1906）が再構築されました。このゲノムは195本のscaffoldを含み、平均カバレッジ2036倍という高いアセンブリ精度を持ち、現代のXffゲノムに匹敵します。また、多座位遺伝子タイピング（MLST）解析により、この古代ゲノムが現代カリフォルニアのブドウ感染株によく見られるST1型に属することが確認されました。
3. 系統発生解析と時間校正Herb_1906ゲノムを系統発生解析のために分析し、330の現代Xffゲノムを含むデータセットと核となるゲノムをアライメントしました。特異根性やリコンビネーションサイトを除去した上で、最大尤度法に基づくフィロジェニーを構築しました。さらに、時間校正されたベイジアン推定（BEASTツールを使用）を併用し、推定された伝来時期を紀元1734年〜1741年としました。これにより、過去の文献で報告された1960年（最短信頼区間1851年）より約70年前の侵入が明らかになりました。
4. 遺伝的多様性と地理的伝搬経路の追跡研究は現代と歴史的な株の遺伝情報を比較し、Herb_1906が現代カリフォルニア州メンドシーノ郡の株群と密接に関連しているものの、カリフォルニア州全体の主要な簇群の基底にはないことを確認しました。また、祖先状態再構築技術により、Xffはアメリカ南東部に最初に導入され、その後複数回の伝搬イベントを経てカリフォルニアに伝わった可能性が示されました。
研究結果初の古代ゲノム復元：研究チームは1906年の古代DNAサンプルからXylella fastidiosaの完全なゲノムを復元し、ゲノム解析における時間範囲を20世紀初頭より前に拡張しました。
アメリカ大陸での伝来時期の校正：Xffがアメリカに侵入した時期は18世紀にまで遡ることが示され、以前の推定よりも約150年早いことが明らかになりました。また、カリフォルニアにおける病害の発生は、複数の伝搬イベントによるものである可能性が高いという新たな証拠が得られました。
遺伝的多様性の解析：Herb_1906は現代のメンドシーノ郡の株と関連していましたが、複数の独立した拡散イベントが示すように、Xffのアメリカ大陸での拡散経路は、農業の発展や植物貿易の歴史と密接に関係しています。
遺伝子の獲得/喪失イベントの進化的重要性: 現代の株との差異から17の遺伝子的な獲得や喪失が確認され、これらの一部は菌株の環境適応や宿主選択において重要な役割を果たしている可能性があります。
研究の意義と展望本研究は、植物病害の拡散史を草本標本を通じて解明する新しいパラダイムを打ち立て、古代DNAと現代ゲノム学を融合させた強力な可能性を実証しました。この研究は、木質部快速死菌がアメリカ大陸に伝来した時期と経路を明確にし、単一回の導入という既存の仮説に疑問を投げかけました。この成果は、植物病害の国際的な伝搬や進化のメカニズムの理解、そしてより効果的な病害防除戦略の立案に重要な意義を持ちます。
また、研究チームは国際的な協力を呼びかけ、地理的空白領域からより多くの歴史的サンプルを採取し、世界的なゲノムデータベースを補完する必要性を強調しました。このような努力は、他の植物病害の伝搬・進化経路を解明するための基盤を築くでしょう。
100年以上前の標本をゲノミクスで新たに解析することで、我々は植物病害の歴史を再記述するとともに、現代農業が直面する課題への新たな視点とデータ基盤を提供しています。