Development of a matrix model for evaluating tree architecture regularity and its phenotypic variation patterns in Malus spp
本研究は、206種のリンゴ属（*Malus*）遺伝資源を用い、マクロ、分枝、および局所的詳細の各次元における樹形構造の規則性を定量化するための新しい二次元行列モデルを導入し、栽培化の過程で規則性が局所的詳細から全体構造へと低下すること、および野生種が栽培品種よりも高い規則性を維持していることを明らかにし、それによって木本観賞植物の系統分類および方向性のある育種のための定量的枠組みを提供するものである。
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植物の世界において、樹木の成長の仕方は単なる偶然の問題ではありません。それは、日光を捉え、風に対してしっかりと立ち、葉や果実の重さを支えるために構築された、三次元的な骨格であり、注意深くバランスの取れた構造なのです。科学者たちはこの配置を「樹木構造（ツリー・アーキテクチャ）」と呼んでいます。何世紀もの間、植物学者はこれらの形状を「直立型」、「しだれ型」、あるいは「広がり型」といった言葉で記述してきましたが、それらの記述を正確な数値に変換することは、困難な課題であり続けてきました。樹木がなぜそのような姿をしているのかを理解するための鍵となる概念は、「規則性（レギュラリティ）」です。規則性を、樹木が計画を遵守する能力だと考えてみてください。非常に規則性の高い樹木は、枝や葉が一貫したパターンで現れる、安定した予測可能なリズムを持って成長します。それはまるで、植物が厳格な設計図に従っているかのようです。この安定性は、良好な健康状態と強い遺伝力の証であり、環境が変化したり、自身の遺伝子が変化しようとしたりしても、樹木がその形態を維持できることを示しています。樹木がこの規則性を失うと、その構造は混沌とし、枝が奇妙な角度で成長したり、葉が予測不可能な塊として現れたりするようになります。このバランスを理解することは、果物の生産を最大化しようとする農家から、庭園に美しさと安定性を求めるランドスケープデザイナーに至るまで、樹木を育てるすべての人にとって極めて重要です。
中国の南京林業大学の研究チームは、この目に見えない秩序を測定する新しい方法を開発しました。彼らは、見事な花と多様な形状（自然界で見られる野生のままの形から、庭園用に品種改良された高度に栽培された品種まで）で知られる植物グループである、リンザクラ（クラブアップル）に焦向しました。研究者たちは、野生種、アメリカの園芸品種、そして中国で新たに育成された栽培品種を含む、206種類の異なるクラブアップルの植物を集めました。彼らは単に全体の形を見るのではなく、樹木を3つの層に分解しました。すなわち、樹木全体の大きな姿、主要な枝の骨格、そして小さな小枝や葉の詳細な部分です。すべての植物について、樹高、枝が成長する角度、葉の間隔の長さ、茎の太さといった特定の形質を測定しました。そして、同じグループ内の個体間で、これらの測定値がどの程度変化するかを調査しました。もし測定値が非常に似ていれば、そのグループは「規則的」であるとみなされました。もし測定値が激しく変動していれば、そのグループは「不規則」であるとされました。
これらすべてのデータを整理するために、科学者たちは複雑な測定値を一つの数値へと変換するシンプルなスコアリングシステムを作成し、それを「規則性指数（レギュラリティ・インデックス）」と呼びました。このスコアは0から7の範囲で、数値が高いほど、樹木がより秩序立ち、一貫していることを意味します。彼らは、野生のクラブアップル種が最も秩序立っており、平均スコアは6.74であったことを見出しました。これらの自然界の樹木は、その成長パターンを非常に強固に把握しており、その構造にほとんど変化が見られませんでした。中国の庭師によって品種改良された樹木も良好な数値を維持しており、平均スコアは6.05でした。彼らは、野生の樹木が持つ強固で安定した骨格を維持しながら、独自の装飾的な魅力を加えていました。しかし、アメリカの園芸品種は異なる物語を語っていました。彼らの平均スコアは大幅に低下して4.66となり、個体間の変動も非常に大きくなっていました。これらの樹木は不規則な形状になる傾向がはるかに高く、非常に真っ直ぐに成長するものもあれば、予測不可能な形でねじれるものもありました。
この研究は、この秩序がどのように崩壊していくかという興味深いパターンを明らかにしました。研究者が樹木の異なる層を詳しく調べたところ、細かい詳細の部分が最初に規則性を失うことが分かりました。小枝、葉の数、そして茎の太さは、樹木の全体的な形状や主要な枝と比較して、栽培された樹木においてはるかに大きな変動を示しました。これは、人間が色鮮やかな花や病害抵抗性などの特定の形質のために樹木を育てる際、樹木の微細でミクロな部分が最初に混沌となることを示唆しています。全体的な形は依然としてある程度似ているかもしれませんが、内部の一貫性は失われているのです。この、小さな詳細から大きな構造へと移行する変化のパターンは、人間の管理下で植物が進化する際の一般的な法則であると考えられます。
研究者たちはまた、特定の栽培品種の家系図を辿り、育種が子孫にどのように影響するかを調べました。その結果、規則性の高い野生種を交配して新しい品種を作った場合、その子孫がその高いレベルの秩序を維持することは稀であることが分かりました。実際、彼らが研究した25の新しい栽培品種の中で、親種よりも高いスコアを記録したものは一つもありませんでした。多くの新しい品種ははるかに低いスコアを示しており、これは、新しいものを作り出すために異なる遺伝系統を混ぜ合わせる行為が、自然が数千年にわたって完成させてきた安定した成長パターンをしばしば乱してしまうことを示しています。2つの他の樹木を混合して作られたある特定の品種は、最低のスコアを記録し、構造的一貫性の完全な喪失を示しました。この発見は、育種が常に植物を改善するという考えに異を唱えるものです。このケースにおいては、育種は樹木の骨格をより不安定で予測不可能なものにすることが多かったのです。
単に樹木を測定するだけでなく、この新しい手法は、植物界の混乱を整理するための強力なツールを提供します。一部のクラブアップルの種類については、科学者の間で、それが真の野生種なのか、それとも種に似たハイブリッド（交雑種）なのか、長年議論されてきました。この規則性テストを適用することで、研究者たちは、論争の的となっている植物が、野生種ほど高くも、高度に改良された園芸品種ほど低くもない、中間的なスコアを持つことを発見しました。これは、これらの植物を分類するための新しい客観的な方法を提供しており、彼らの混在した規則性スコアが、その混在した遺伝的歴史を反映していることを示唆しています。将来の樹木育種の観点からは、この研究は、美しい花や果実を生み出すことはできますが、樹木の根本的な構造の安定性を犠牲にしてはならないということを示唆しています。この新しいスコアリングシステムを用いることで、育種家は若い樹木を早い段階でスクリーニングし、成熟する前に構造的なバランスを失ったものを見極めることができ、次世代の観賞用樹木が美しいだけでなく、強く信頼できるものであることを保証できるのです。
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