一見すると、地中海に生息するイシヒトデとイギリス諸島の冷たい海域に生息するイシヒトデは、大きな違いもなく同じ種に属しているように見える。しかし、ゲノムを解析すると、全く異なる事実が明らかになる。研究チームは、これらのイシヒトデに染色体逆位、つまり一部の個体で染色体の大きな断片が「上下逆」になっているという異常に高い頻度で見られることを発見したのだ。
これらの遺伝子投資は、イシヒトデ（Marthasterias glacialis）のゲノムの18,6%に影響を与え、様々な環境条件と関連しているようだ。この発見は、ゲノム構造が海洋生物の多様な環境への適応能力において特に重要な役割を果たしている可能性を示唆している。
環境に関連した染色体逆位
ドニャーナ生物学ステーション（EBD-CSIC）とバルセロナ大学が主導したこの研究では、北大西洋北東部と西地中海のさまざまな地域から約 300 の標本が分析されました。「最も興味深い発見は、これらの逆位の変異が研究対象集団にランダムに分布しているのではなく、むしろ異なる地理的地域と関連しているように見えることです」と、ドニャーナ生物学ステーションの研究者であるカルロス・レイバ氏は説明します。「その多くは、地中海のような温暖で塩分濃度の高い地域でより頻繁に見られますが、他のものは、イギリス諸島のようなより寒い地域と関連しているようです。」これらの逆位領域内には、熱ストレスへの反応、浸透圧調節、免疫反応、環境認識に関連する遺伝子が見つかりました。しかし、研究者らは、この関係は実験的研究によって検証する必要があると注意を促しています。いずれにせよ、この結果は、DNA の点突然変異に加えて、ゲノムの構成方法が、種がさまざまな環境にどのように適応するかを理解する上で特に重要である可能性があることを示唆しています。このメカニズムは、特にイシヒトデにおいて重要である可能性がある。イシヒトデは、生息環境が大きく異なるにもかかわらず、個体群同士が高いレベルのつながりを維持している種である。
地域適応を維持するためのメカニズム
この発見は、多くの海洋生物に共通する現象、すなわち幼生の長距離移動性という点で特に注目に値する。成体のヒトデの移動性は限られているが、幼生は海流に乗って数百キロメートルも移動することができる。この移動によって遺伝子の交換が促進され、個体群が絶えず混合される。理論的には、このような高度な相互接続性は、地域間の顕著な適応上の違いの出現を妨げるはずである。しかし、この研究は、この遺伝子混合を免れることができるゲノム領域が存在することを示している。特定の領域は、ゲノムの他の部分よりもはるかに少ない組換え、つまり「混合」しか起こらないため、個体群間で区別されたままになることができる。「これらの領域は、一緒に遺伝する構成要素として機能し、温度や塩分の違いといった特定の環境条件下で生きるのに有利な遺伝子の組み合わせを保存する」と、バルセロナ大学の博士課程研究員であるマルタ・マルティン・ウエテは説明する。このように、染色体逆位は、集団間でかなりの遺伝子交換がある場合でも、特定の環境に有利な特定の遺伝子組み合わせを維持することを可能にする一種のメカニズムとして機能する可能性がある。
大西洋と地中海で約300匹のヒトデが研究された。
種のゲノムに隠れた差異が存在するかどうかを判断するため、研究チームは北大西洋北東部と西地中海の19か所から採取した約300個体のマルステリアス・グラシアリスのサンプルを分析した。サンプルは、イギリス諸島、アゾレス諸島、ヨーロッパ大西洋沿岸、地中海などの地域から採取されており、非常に異なる環境条件にさらされた集団を比較することが可能になった。研究チームは、ゲノム全体に分布する数千のマーカーを分析し、種の参照ゲノムと比較した。このアプローチにより、染色体逆位と一致する領域を特定し、これらの逆位が異なる集団間でどのように分布しているかを調べることができた。さらに、遺伝子データは温度と塩分に関する環境情報と組み合わされ、研究者は染色体逆位が局所的な適応プロセスに関連しているかどうかを調べることができた。その結果は特に驚くべきもので、ゲノムの18,6%がこの種の構造的変異を示しており、この高い割合は、分析された集団を区別する上で染色体逆位が重要であることを示している。
海洋生物多様性の保全への影響
この研究はまた、広く分布し、一見均質に見える個体群を持つ種であっても、ゲノム内に大きな適応的多様性を秘めていることを明らかにしている。この発見は海洋生物多様性の保全に重要な意味を持つ。なぜなら、同じ種の異なる個体群は、海洋温暖化や塩分濃度の変化といった現象に対して異なる反応を示す可能性があるからだ。この遺伝的多様性を理解することは、気候変動の文脈において特に重要である。なぜなら、種が温度やその他の環境条件の変化に反応する能力は、種の生存と将来の分布を左右する可能性があるからである。さらに、この研究結果は、海洋生物多様性の進化を促進するメカニズムについて新たな視点を提供する。この研究は、ゲノム構造の変化が、種の適応を促進する上で、DNAの特定の差異と同じくらい重要であることを示している。
気候変動に直面するモデルとしてのイシヒトデ
次のステップは、特定された染色体逆位が実際に個体の生物学的特性に影響を与えるかどうかを検証することです。「これらの結果は、これらの染色体逆位が、より高い耐熱性、塩分の変化に対する耐性、成長や生殖の変動など、個体間の生物学的差異に実際につながるかどうかを検証する新しい研究への道を開きます」とカルロス・レイバは説明します。将来の研究で、これらの染色体逆位が、少なくとも部分的に、トゲヒトデの熱や塩分への適応能力を決定づけていることが確認されれば、マルタステリアス・グラシアリスは、気候変動によって特徴づけられる海洋に海洋生物がどのように対応できるかを研究するためのモデルになる可能性があります。このように、ヒトデの研究として始まったものが、海洋生物がどのように進化し、幼生の移動によって個体群がつながっていてもどのように局所的な適応を維持できるかを理解するための新しい方法を明らかにしました。
グアム大学、バルセロナ植物研究所、レンヌ大学を含むスペイン・フランス合同チームによる今回の発見は、ゲノム構造が進化における重要な要素であることを強調するものである。18,6%の逆位を持つイシヒトデは、染色体構造がいかに驚くべき適応的多様性を秘めているかを示す好例となり、海洋生態系が将来の課題にどのように対応していくかを予測するための貴重な手がかりを提供する。