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気孔サイズに対する環境的圧力が植物のゲノムサイズの進化を促進する可能性がある：ケープ地表植物を用いた自然実験からの証拠
Environmental pressures on stomatal size may drive plant genome size evolution: evidence from a natural experiment with Cape geophytes.
PMID: 32474609 DOI: 10.1093/aob/mcaa095.
抄録
背景と目的:
真核生物のゲノム（サイズ）の進化が環境要因によって引き起こされるという考えは、現在でも活発に議論されている。現存する植物では、ゲノムサイズと気孔サイズが正の相関を示しており、化石植物では大きな気孔が存在する条件がゲノムサイズの成長を支えていたのではないかと考えられる。我々は、干ばつに適応したケープ(南アフリカ)の直立した葉を持つ植物の祖先と比較して、ストマタは葉の下に形成された好ましい湿度の微気候の中で発達するというこの帰納的仮説を検証した。
BACKGROUND AND AIMS: The idea that genome (size) evolution in eukaryotes could be driven by environmental factors is still vigorously debated. In extant plants, genome size correlates positively with stomatal size, leading to the idea that conditions enabling the existence of large stomata in fossil plants also supported growth of their genome size. We test this inductive assumption in drought-adapted, prostrate-leaved Cape (South Africa) geophytes where, compared with their upright-leaved geophytic ancestors, stomata develop in a favourably humid microclimate formed underneath their leaves.
方法:
7科の植物から近縁の16種をペアにして、気孔パラメータ（葉のキューティクル痕跡）とゲノムサイズ（フローサイトメトリー）を測定した。それぞれのペアにおいて、異なる属を代表して、直立した葉を持つ系統の親戚である直立葉の種と、ストマタが周囲の乾燥気候にさらされている後者の種とを対比させた。
METHODS: Stomatal parameters (leaf cuticle imprints) and genome size (flow cytometry) were measured in 16 closely related geophytic species pairs from seven plant families. In each pair, representing a different genus, we contrasted a prostrate-leaved species with its upright-leaved phylogenetic relative, the latter whose stomata are exposed to the ambient arid climate.
主要結果:
1種を除いて、直立葉の種はすべてストマタが大きく、16組中13組では直立葉の種よりもゲノムが大きかった。ガードセルが小さい(<1pL)種では，ストマタ密度と理論最大コンダクタンスは小さかったが，ガードセルが大きい(>1pL)種では系統的な違いは見られなかった。また，比較的小さなゲノム(2C = 9 Gbp)にもかかわらず，巨大なストマタが観察されたのは直立葉のSatyrium bicorne (長さ89-137 µm)であった。
KEY RESULTS: Except for one, all prostrate-leaves species had larger stomata, and in 13 of 16 pairs they also had larger genomes than their upright-leaved relatives. Stomatal density and theoretical maximum conductance were less in prostrate-leaved species with small guard cells (<1 pL) but showed no systematic difference in species pairs with larger guard cells (>1 pL). Giant stomata were observed in the prostrate-leaved Satyrium bicorne (89-137 µm long), despite its relatively small genome (2C = 9 Gbp).
結論:
この結果は、植物のゲノムサイズの進化には気候が関係している可能性を示唆している。このデータは、ストマタが大きい「温室効果のある」地質学的な時代の植物は、現存する植物と比較して一般的にゲノムサイズが大きいという考えを支持するものであるが、これはその時代の大気中のCO2濃度が高かったことだけが原因ではなく、化石堆積場に存在する湿度の高い条件が原因である可能性もある。
CONCLUSIONS: Our results imply that climate, through selection on stomatal size, might be able to drive genome size evolution in plants. The data support the idea that plants from 'greenhouse' geological periods with large stomata might have generally had larger genome sizes when compared with extant plants, though this might not have been solely due to higher atmospheric CO2 in these periods but could also have been due to humid conditions prevailing at fossil deposit sites.
© The Author(s) 2020. Published by Oxford University Press on behalf of the Annals of Botany Company. All rights reserved. For Permissions, please e-mail: journals.permissions@oup.com.