学位論文内容の要旨

博 士 （ 環 境 科 学 ）    甲 山 哲 生

学 位 論 文 題 名

Evolution of host use in the leaf beetle Age ムSan ゑ 彡々 む epS      （COleoptera ：ChrySOmelidae ）

     （キクビァオハムシ（甲虫目：ハムシ科）における寄主利用の進化）

学位論文内容の要旨

  植 食 性 昆 虫 は 、 推 定 種 数100万 種 以 上 と も い わ れ 、 地 球 上 の 生 物 で 最 も 種 多 様 性 が 高 い グ ル ー プ の1っ で あ る 。 し た が っ て 、 そ の 進 化 、 特 に 種 分 化 過 程 を 解 明 す る こ と は 、 生 物 多 様 性 の 創 出 メ カ ニ ズ ム の 理 解 に っ な が る 。 植 食 性 昆 虫 の ほ と ん ど は 、 特 定 の 科 や 属 と い っ た 限 ら れ た 植 物 種 を 寄 主 と し て 利 用 し て い る が 、 そ の 一 方 で 、 近 縁 な 昆 虫 種 が そ れ ぞ れ 全 く 異 な る 植 物 種 に 特 殊 化 し て い る 例 も し ば し ば 見 ら れ る 。 寄 主 植 物 の 変 更 は 昆 虫 の 様 々 な 生 態 的

・ 生 理 的 側 面 に 影 響 を 及 ば す こ と か ら 、 そ の 種 分 化 に お け る 意 義 に つ い て は こ れ ま で に 多 く の 研 究 が な さ れ て き た 。 ま た 、 近 年 の 分 子 系 統 学 的 な 知 見 か ら 、 植 食 性 昆 虫 に お い て は 、 新 し い 寄 主 植 物 の 利 用 能 カ の 獲 得 （ 寄 主 範 囲 の 拡 大 ） と 寄 主 特 殊 化 を 繰 り 返 す こ と で 、 現 在 見 ら れ る よ う な 多 様 性 が 生 じ た と 考 え ら れ て い る 。 こ の よ う に 寄 主 範 囲 の 拡 大 は 植 食 性 昆 虫 の 進 化 ・ 多 様 化 に お い て 重 要 な イ ベ ン ト で あ る が 、 そ の 過 程 が 野 外 集 団 で 観 察 さ れ る こ と は 稀 で あ る 。

  甲 虫 目 ハ ム シ 科 に 属 す る キ ク ビ ア オ ハ ム シ は 日 本 全 土 に 広 く 分 布 し 、 主 な 寄 主 植 物 と し て マ タ タ ビ 科 の サ ル ナ シ を 利 用 す る こ と が 知 ら れ て い る が 、 近 年 、 関 東 以 西 に お い て エ ゴ ノ キ 科 の オ オ バ ア サ ガ ラ を 利 用 す る 集 団 が 発 見 さ れ た 。 サ ル ナ シ と オ オ バ ア サ ガ ラ の そ れ ぞ れ か ら 採 集 し た 個 体 で は 寄 主 植 物 に 対 す る 摂 食 受 容 性 に 違 い が 見 ら れ る こ と が 示 さ れ て お り 、 本 種 に お い て は ， 現 在 ま さ に 寄 主 範 囲 の 拡 大 が 生 じ て い る と 考 え ら れ る 。 本 研 究 で は 、 キ ク ビ ア オ ハ ム シ に お け る 寄 主 利 用 の 進 化 に つ い て 明 ら か に す る こ と を 目 的 と し 、 室 内 飼 育 実 験 、 お よ び 分 子 マ ー カ ← を 用 い た 集 団 遺 伝 学 的 ・ 系 統 地 理 学 的 解 析 を 行 な っ た 。   植 食 性 昆 虫 の 寄 主 利 用 に 関 す る 種 内 変 異 は 、 そ の 種 に お け る 寄 主 利 用 の 進 化 と 集 団 分 化 を 知 る 上 で 重 要 な 手 が か り と な る 。 キ ク ビ ア オ ハ ム シ で は 、 サ ル ナ シ を 寄 主 と す る 集 団 （ サ ル ナ シ 利 用 集 団 〕 は 日 本 全 土 に 広 く 分 布 す る の に 対 し て 、 オ オ バ ア サ ガ ラ を 寄 主 と す る 集 団 （ オ オ バ ア サ ガ ラ 利 用 集 団 ） は 本 州 の 関 東 以 西 、 四 国 、 お よ び 九 州 北 部 の 限 ら れ た 地 域 に の み 分 布 す る 。 第1章 で は 、 本 種 の 寄 主 利 用 に お け る 種 内 変 異 の 地 理 的 パ タ ー ン を 明 ら か に す る こ と を 目 的 と し 、 日 本 各 地 か ら 採 集 し た 越 冬 成 虫 と そ の 幼 虫 を 用 い 、 成 虫 に つ い て は 摂 食 受 容 性 ・ 選 好 性 、 幼 虫 に つ い て は 生 育 能 カ を 室 内 飼 育 実 験 に よ り 調 べ た 。 そ の 結 果 、 い ず れ の 集 団 の 成 虫 ・ 幼 虫 も と も に サ ル ナ シ の 葉 を よ く 摂 食 し 、 幼 虫 も 高 い 生 存 率 を 示 し た の に 対 し 、 オ オ バ ア サ ガ ラ に 対 す る 反 応 に は 大 き な 種 内 変 異 が 見 ら れ た 。 サ ル ナ シ の み が 利 用 さ れ て い る 地 点 か ら 採 集 し た 集 団 に お い て は 、 成 虫 ・ 幼 虫 と も に オ オ バ ア サ ガ ラ を ほ と ん ど 摂 食 し な か っ た 。 一 方 、 両 集 団 が 同 所 的 に 生 息 す る 地 点 で は 、 特 に オ オ バ ア サ ガ ラ 利 用 集 団 の 成 虫 は オ オ バ ア サ ガ ラ を よ く 摂 食 し 、 幼 虫 も オ オ バ ア サ ガ ラ 上 で 生 存 で き た も の の 、 生 存 率 は 地 理 変 異 が 大 き か っ た 。 ま た 、 同 所 的 な サ ル ナ シ 利 用 集 団 と オ オ バ ア サ ガ ラ 利 用 集 団 間 で は 、 オ

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オ バアサ ガラ上で 幼虫を飼 育した場合、常に後者が高い生存率を示した。以上より、本種に お いては 、サルナ シが祖先 的な寄主植物であり、オオバアサガラヘの寄主範囲の拡大が現在 生じているか，あるいは近い過去に生じたと考えられた。

植 食性昆 虫におけ る寄主 選択行動（摂食・産卵選好性）は、遺伝的要因の他に過去の経験 な どの環 境的要因 にも左右 される。もし自身が育った寄主植物に選択的に産卵するような性 質 があれ ば、新寄 主への適 応がより迅速に進むと考えられる。キクビアオハムシにおいては 実 験室内 で生存率 が低いオ オバアサガラを野外で利用している状況が頻繁に見られるが，こ の ような 一見非適 応的な寄 主選択行動は、過去の経験の影響によって生じている可能性が考 え られる 。第2 章では、 本種に おいて幼 虫期及 び羽化後の経験がその後の寄主選択行動に及 ば す影響 を明らか にするこ とを目的とした。野外でそれぞれの寄主植物から採集した幼虫個 体 を羽化 後に餌植 物を入れ 替えて翌年まで飼育し、越冬後の雌個体の摂食・産卵選好性を調 べ た。そ の結果， これらの 雌個体は羽化後に飼育に用いた植物の葉をより好んで摂食・産卵 し た。ま た、これ らの雌個 体より得られた孵化幼虫について、幼虫期に餌植物を入れ替えて 飼 育し、 羽化直後 の成虫の 摂食選好性にどのような影響が出るか調べた。その結果、二選択 実 験では 新成虫は 幼虫期の 経験に関わらず明確な選好性を示さなかったものの、無選択実験 で は、幼 虫期にオ オバアサ ガラで飼育した個体では、オオバアサガラをよく摂食するという 傾 向が見 られた。 さらに、 羽化後10 日間、餌植物を入れ替えて飼育し、二選択実験を行った 結 果、成 虫の摂食 選好性に は幼虫期及び羽化後の早い時期の両方の経験の影響がみられ、特 に 幼虫期 と羽化後 に同じ餌 植物を与え続けた個体は、その植物の葉に対して強い選好性を示 し た。こ のような 過去の経 験に基づく選好性の変化は、本種における寄主範囲の拡大に大き く寄与したと考えられる。

第

章 では、キ クビアオ ハムシ の寄主範 囲の拡 大がどのように起こったかを明らかにする

こ とを目 的とし、 ミ卜コン ドリア 遺伝子（

および 増幅断片 長多型 （AFLP) と いう

つの

分 子マー カーを用 いて、集 団遺伝 学的・系 統地理 学的解析を行った。

とAFLP のいずれを

用 いた解 析でも、 集団問の 遺伝的分化には明確な地理的構造がみられたが、同所的なサルナ

シ 利用集 団とオオ バアサガ ラ利用集団間では遺伝的分化は極めて小さぃか、ほとんどないと

い う結果 が得られ た。また 、オオバアサガラ利用集団は単系統性を示さないことから、オオ

バ アサガ ラヘの寄 主範囲の 拡大は、比較的最近に複数の地域集団で独立に生じたと考えられ

た 。また 、異なる 寄主利用 に関連した自然選択がどの程度遺伝的分化に寄与しているかにつ

い て調べるために、AFLP マーカーを用いたoutlier 解析を行った。AFLP 法によって得られた合

計

の

のそれぞれについて、集団聞の分化の指標であるFST を計算し、強い分化を

示すoutlier loci の検出を行った。複数の集団間（寄主が同じ、もしくは異なる集団間）の比較

から、全体の

％の遺伝子座が複数の寄主が異なる集団間で特異的にoutlier Ioci として検出

さ れた。 これらの 遺伝子座 は寄主利用に関連した選択を受けている可能性があるが、これら

の うち全 ての寄主 の異なる 集団間の比較で共通して強い分化が見られるものはなかった。本

種 におい ては寄主 範囲の拡 大（新寄主への適応）が各地で独立に生じたと考えられることか

ら 、 そ れ ぞ れ の 地 域 集 団 で は 異 な る 変 異 が 選 択 さ れ た と 考 え ら れ た 。

以 上のよ うに，本 研究に よって、キクビアオハムシにおいて、オオバアサガラへの寄主範

囲 の拡大 が近年に 各地で独 立に生じ、現在進行中であることが示された。また、この寄主範

囲 の拡大 には過去 の経験に 基づく選好性の変化が重要な役割を果たしていることが示唆され

た 。今後 、本種に おける寄 主範囲の拡大を促す生態的要因について、また新寄主への適応に

関 連した 遺伝的な 基盤につ いて明らかにすることにより、植食性昆虫における寄主利用の進

化およびその多様化についての理解が進むと考えられる。

学位論文審査の要旨 主査   教   授

副査   教   授      准 教 授      特任教授

木村 戸田 鈴木 片倉

学 位 論 文 題 名

正人 正憲     仁

晴雄（大学院理学研究院）

Evolution of host use in the leaf beetle Age ぬ Sa 口 嫐 epS      （ COleoptera ：ChrySOmelidae ）

     （ キク ビア オハム シ（ 甲虫 目：ハ ムシ 科） にお ける寄主利用の進化）

   食植性昆虫は地球上の生物で最も種多様性が高いグループの1 つであり，そ の多様性は新しい寄主植物の利用能カの獲得（寄主範囲の拡大）と寄主特殊化 を繰り返すことで生じたと考えられている。このように寄主範囲の拡大は食植 性昆虫の進化・多様化において重要なイベントであるが，その過程が野外の集 団で観察されることは稀である。キクピアオハムシ（甲虫日ハムシ科）はそう した稀な例であり，申請者は，本種について，室内飼育実験および分子マーカ ーを用いた集団遺伝学的・系統地理学的解析を行ない，その寄主利用の進化・

寄主範囲拡大過程について調べた。

   申請者は，まずキクピアオハムシの寄主利用における種内変異の地理的バタ ーンについて調べた。キクビアオハムシでは，サルナシを寄主とする集団（サ ルナシ利用集団）は日本全土に広く分布するのに対して，オオバアサガラを寄 主とする集団（オオバアサガラ利用集団）は本州の関東以西，四国，および九 州北部の限られた地域にのみ分布する。申請者は，日本各地から越冬成虫を採 集し，その摂食受容性・選好性について，またその幼虫について，生育能カを 調べた。その結果，いずれの集団の成虫・幼虫もともにサルナシの葉をよく摂 食し，幼虫も高い生存率を示したのに対し，オオバアサガラに対する反応には 大きな種内変異が見られることを明らかにした。すなわち，サルナシのみが利 用されている地点から採集した集団においては成虫・幼虫ともにオオパアサガ ラをほとんど摂食せず，一方両集団が同所的に生息する地点では，特にオオバ アサガラ利用集団の成虫はオオパアサガラをよく摂食し，幼虫もオオバアサガ ラ上で生存できたものの，生存率は地理変異が大きかった。また，同所的なサ ルナシ利凧集団とオオバアサガラ利用集団間では，オオパアサガラ上で幼虫を 飼育した場合，常に後者が高い生存率を示すことを観察した。以上より，申請

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者 は ， 本 種 に お い て は ， サル ナ シ が 祖 先 的 な 寄 主 植物 であ り， オオ バア サガ ラ ヘ の 寄 主 範 囲 の 拡 大 が 現 在生 じ て い る か ， あ る い は近 い過 去に 生じ たと 推定 し た。

食 植 性 昆 虫 に お け る 寄 主選 択 行 動 は ， 遺 伝 的 要 因の 他に 過去 の経 験な どの 環 境 的 要 因 に も 左 右 さ れ る 。も し 自 身 が 育 っ た 寄 主 植物 に選 択的 に産 卵す るよ う な 性 質 が あ れ ば ， 新 寄 主 への 適 応 が よ り 迅 速 に 進 むと 考え られ る。 そこ で， 申 請 者 は ， 幼 虫 期 及 び 羽 化 後の 経 験 が 本 種 の そ の 後 の寄 主選 択行 動に 影響 する か 否 か に つ い て ， そ れ ぞ れ の寄 主 植 物 か ら 採 集 し た 幼虫 個体 を羽 化後 に餌 植物 を 入 れ 替 え て 翌 年 ま で 飼 育 し， 越 冬 後 の 雌 個 体 の 摂 食・ 産卵 選好 性を 見る こと に よ り 調 べ た 。 そ の 結 果 ， これ ら の 雌 個 体 は 羽 化 後 に飼 育に 用い た植 物の 葉を よ り 好 ん で 摂 食 ・ 産 卵 す る こと が 明 ら か に な っ た 。 また ，こ れら の雌 個体 より 得 ら れ た 孵 化 幼 虫 に つ い て ，幼 虫 期 ・ 成 虫 初 期 に 餌 植物 を入 れ替 えて 飼育 し， そ の 後 の 摂 食 選 好 性 を 調 べ ，少 な く と も 無 選 択 実 験 では ，幼 虫期 にオ オパ アサ ガ ラ で 飼 育 し た 個 体 で は ， オオ バ ア サ ガ ラ を よ く 摂 食す るこ と， さら に， 羽化 後 の 早 い 時 期 の 経 験 も 寄 主 選択 に 影 響 す る こ と を 見 出し た。 以上 のこ とか ら， 申 請 者 は ， 過 去 の 経 験 に 基 づく 選 好 性 の 変 化 は ， 本 種に おけ る寄 主範 囲の 拡大 に 大きく寄与したと推定した。

続 い て ， 申 請 者 は キ ク ビア オ ハ ム シ の 寄 主 範 囲 の拡 大が どの よう に起 こっ た か を 明 ら か に す る こ と を 目 的 と し ， ミ ト コ ン ド リ ア 遺 伝 子 （

およ び 増 幅 断 片 長 多 型

の

つ の 分 子 マ ー カ ー を 用 い て ， 集 団 遺 伝 学 的 ・系 統 地 理 学 的 解 析 を 行 っ た 。 そ の 結 果 ，

と

の い ず れ を 用 い た 解 析 で も， 集 団 間 の 遺 伝 的 分 化 に は 明 確 な 地理 的 構 造 が み ら れ た が ，同 所的 なサ ルナ シ利 用集 団 と オ オ パ ア サ ガ ラ 利 用 集 団間 で は 遺 伝 的 分 化 は 極 めて 小さ いか ．ほ とん どな い と い う 結 果 を 得 た 。 ま た ，オ オ バ ア サ ガ ラ 利 用 集 団は 単系 統性 を示 さな いこ と か ら ， オ オ パ ア サ ガ ラ ヘ の寄 主 範 囲 の 拡 大 は ， 比 較的 最近 に複 数の 地域 集団 で 独 立 に 生 じ た 可 能 性が ある こと を示 した 。ま た，

マー カーを 用い たoutlier 解 析 に よ り ， 全 体 の う ち

％ の 遺 伝 子 座 が 複 数 の寄 主が 異な る集 団間 で特 異 的に

とし て検 出さ れた こと から ，こ れらの 遺伝 子座 は寄 主利用に関 連した選択を受けている可能性を指摘した。

こ の よ う に 申 請 者 は ， 本種 の 寄 主 範 囲 拡 大 過 程 を明 らか にし てお り， 今後 ， 寄 主 範 囲 の 拡 大 を 促 す 生 態的 要 因 に つ い て ， ま た 新寄 主へ の適 応に 関連 した 遺 伝 的 な 基 盤 に つ い て 明 ら かに す る こ と に よ り ， 食 植性 昆虫 にお ける 寄主 利用 の 進 化 お よ び そ の 多 様 化 に つ い て の 理 解 が 大 き く 進 む と 考 え ら れ る 。

審査委員一同は，これらの成果を高く評価し，また研究者として誠実かつ熱心であり・

大学院博士課程における研鑽や修得単位などもあわせ，申請者が博士（環境科学）の学位 を受けるのに充分な資格を有するものと判定した。

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