昆虫食性進化研究室

蝶が食草を正確に見分けるしくみ

　アゲハチョウの仲間は、それぞれの幼虫が特定の植物のみを餌として利用します。例えば、ナミアゲハはミカン科の植物、キアゲハはセリ科の植物、というように決まっていて、他の植物は餓死してでも食べません（アゲハチョウ科昆虫とその食草）。このような植物のことを食草または寄主植物と言います。幼虫の移動能力は低く自力で広い環境から食草を探し出すのは難しいため、飛ぶことができるメス成虫が正確に植物を識別して、産卵場所を間違えないことが次世代の生存を左右します。それでは、メス成虫はどのようにして数多くの植物の中から幼虫に適した食草を選択しているのかというと、そのヒミツは前脚の先端にある「ふ節」と呼ばれる部分にあります。前脚のふ節には化学感覚子という毛状の突起物があり、人間の舌の様に植物に含まれる化合物を「味」として認識することができるのです。
（蝶の食草をネットワーク図で一覧できる InsectInDB は、当研究室を中心とする研究グループで開発しています）
 

食草選択という本能のプログラムと謎

　アゲハチョウのメス成虫は、産卵の前に植物の葉の表面を前脚二本で交互に叩く「ドラミング」と呼ばれる行動を示しますが、その時に植物に含まれる不揮発性の化合物を感じ取っているのです。つまり、花の蜜を飲む自らは食べる事のない葉の「味見」を前脚で行って、幼虫が食べられる植物であるか確認しているのです。例えば濾紙やブラスチック製の人工葉にアゲハチョウの産卵を促す物質（産卵刺激物質）を塗ってメス成虫に触れさせると、それを幼虫の食草であると勘違いをして卵を産んでしまいます（図1）（実験方法はこちら）。アゲハチョウの成虫は短命で、食草の選び方について練習しながら徐々に上達する時間はないので、どんな味の植物を選ぶべきかは生まれながらにして知っています。このような生得的な行動は「本能」と呼ばれています。
　食草を選択する「味見」は、子孫を残すために決して間違えてはならない行動であるため本能としてゲノム上にプログラムされていて、祖先から子孫へ正確に受け継がれていますが、その本能の仕組みが柔軟に変化したことによって食草を変更し、やがて種分化（生物学的な意味での進化）が起きたというパラドックス（矛盾した謎）があります。
 

アゲハチョウが見せる不思議を分子の言葉で理解する

　化学感覚子の中ではおそらく、化合物を認識する受容体と、受容体へ化合物を運搬する結合タンパクを中心とする、「産卵刺激物質受容システム」が働いていると考えられます。このシステムに関与する遺伝子群とその機能を解明することで、やがてアゲハチョウの進化につながる食草の変更を起こした、ゲノム上の最初の一歩となった変化は何だったのかを解明したいと考えています。
　ダーウィンとファーブルの時代から続く100年越しの“不思議”に、現代の技術で挑戦する研究です。

母蝶が正確に植物の種類を見分けて子孫を残す仕組みと、卵から成虫までの飼育方法の紹介する催しを行いました。催しで使用した資料をPDFファイルとしてダウンロードできるようにしましたので、ぜひご活用ください。幼虫の育て方はもちろん、成虫の育て方や交尾のさせ方も紹介しています。
 

資料1「チョウはどうやって餌を見つけるか」

資料2「チョウの飼い方」

　蝶や蛾の仲間の多くは植食性で、食草の変更が多様化や種分化に最も大きな影響したと考えられています。しかし、食草選択がどのように行われているか、基盤となる仕組みなどは十分に理解されているとは言えません。図鑑や論文には、蝶と食草の関係について多くの情報が蓄積されていますが、それらを全て読み込み記憶し、知識として活用するのは困難です。
　そこで我々は、日本の蝶について文献情報をデータ化し、蝶と植物の関係と系統関係を組み合わせ、統計学的に解析を行いました。その結果、基本的に蝶は科という分類単位ごとに決まった科の植物に依存していますが、蝶の一部のグループは、分類群の単位を超えて同じ植物を餌として共有していることが明確に示されました。この現象は偶然そうなったのではなく、独立に獲得した適応的な形質であると考えられます。例えば、シロチョウ科の蝶はアブラナ科の植物に強く依存し、シジミチョウ科の蝶はグループごとに様々な植物に依存していますが、これら蝶の一部のグループがマメ科を食草として共有しています。ちなみにマメ科は、チョウにとっては毒性が低い安全な植物とされていて、飼育している際に食草が手に入らない場合の代替食として利用できます。
　これに加えて、蝶が依存している寄主植物に特徴的な化合物を統計学的に解析しました。同定された化合物のいくつかは、ある蝶にとっては誘引物質でありながら別の蝶にとっては忌避物質であることが知られているものでした。
　さらに、昆虫が作る化合物（におい成分など）を、食草由来の化合物を基質として合成可能か推定するため、公開データベースに登録されているゲノム配列やトランスクリプトーム配列を利用し、酵素反応に関わる遺伝子を予測しました。その結果、いくつかの化合物について、合成経路に関与すると考えられる遺伝子を同定することが出来ました。
　我々の成果は、公開されている様々なデータを統合することにより、特定の生物間相互作用に関与すると考えられる化合物をコンピュータによって検出することが可能になり、さらにゲノムやトランスクリプトームのデータを組み合わせることで、食草選択に関与する分子メカニズムの解明を省力化・高速化できることを示しました。
　ここから見えてくる、食性転換に関わる分子メカニズムのストーリーを考えてみましょう。蝶が分類群の大きく異なる植物へ食性転換するときには、偶然の突然変異によっていきなり違う植物に適応できてしまうのではなく、一旦はマメ科のような代謝能力的に安全と考えられる植物を避難場所のように利用し、その後に既存の代謝関連遺伝子群で対応可能な植物へと移っていき、食性が変わった後に、食草認識や解毒に関連する遺伝子群が新たな食草に合わせて最適化されるかのように変化していくのではないかと考えられます。
　かつてアゲハチョウとその食草は、植物が防御機構を変化させると、それを追いかけるかのようにチョウが適応していく「シーソーゲーム」のような共進化をしていると考えられていましたが、実際には共進化ではなく、含有する化合物が似ている植物をチョウが気まぐれに渡り歩いていたのだと考えられます。つまり、食草転換をきっかけとする種分化は、チョウの都合で起きるのだと推測されます。