都市の雑草は、時として地温が50℃を超える暑い日でも高温に耐えて生きていることから、都市の高温ストレスは、都市雑草の高温耐性を進化させているかもしれない。世界中の研究者が、都市の生物で急速な進化が起きていることを報告しているが、「都市の高温」が植物をどう進化させるのかは、誰も調べていなかった。

同研究グループは、世界中の都市や農地に生えている植物のカタバミに注目。カタバミは、通常の緑の葉を持つ個体だけでなく、真っ赤な葉を持つ個体まで種内に葉色の変異があるという明確な特徴がある（写真1）。また、カタバミの赤葉は、個体内で緑から赤に変化する樹木の紅葉などと違い、生まれたときから赤いままであることから、カタバミの葉色の違いの多くは遺伝的に決まっている遺伝的変異といえる。同研究グループは、都市部では赤いカタバミが多いことに気が付き、これは都市の高温に対する適応進化かもしれないと考え、この仮説を生態学・植物生理学・遺伝学アプローチで多角的に検証した。

東京都市圏の26地点で野外調査をしたところ、芝生や農地など緑地に比べ都市部では赤い葉のカタバミが多くなるという明確な傾向があった（図1）。緑葉と赤葉の変化は急激で、公園の芝生と住宅を比べると、たった数十メートルしか離れていないのに、葉の色が大きく変わっていた。

次に、都市-赤葉、緑地-緑葉というパターンが高温ストレスという選択圧によって生じたのか調査。もし高温ストレスによって赤い葉が進化したなら、高温環境では赤葉の方が有利になる。逆に、通常の栽培環境（25℃）では、緑葉の方が有利になると予想される。

同研究チームは、都市を模したレンガ圃場、温室、人工気象装置での栽培実験や葉の光合成活性の測定など様々な手法でこの予測を検証。その結果、どの実験でも予測を支持する結果が得られた。つまり、高温下(35℃)では緑葉よりも赤葉の方が、高い光合成活性を示し成長が良かった一方（図2）、通常の気温では赤葉よりも緑葉の方が、高い光合成活性を示し成長が良かった。これは、都市の高温ストレスによって、都市で赤葉を進化したことを示唆する。

さらに、都市の赤葉の進化プロセスを集団遺伝学的手法によって推定。東京都市圏の都市と緑地のカタバミ136個体を対象に、ゲノムワイドなSNPの多型を分析することで、集団の進化の歴史を推定したところ、赤葉は一度だけ進化し東京中に広まったわけではなく、色々な場所で緑葉から赤葉への進化が何度も起こったことが示唆された。

さらに、この進化の普遍性を検証。もし都市の高温ストレスがカタバミを赤く進化させるなら、東京都市圏以外の、世界中の都市でも同じようなパターンが観察されることになる。同研究チームは、この予測を、世界的な市民観察プラットフォームで、観察データがオープンに利用できるiNaturalistのデータベースを使って検証。世界中からアップロードされた9561枚のカタバミの写真を分析すると、予測通り都市部のカタバミは赤葉の割合が高いことが分かった（図3）。

以上の結果から、都市の高温ストレスによってカタバミの葉の色が赤く進化し高温耐性を獲得していることを示し、生態学者、植物生理学者、遺伝学者がチームを組むことでヒートアイランドへの適応が包括的に理解できた。

都市はヒートアイランドによって周囲より数℃以上暑くなっているため、都市は未来の温暖化を先取りしているともいえる。この研究のように、都市の高温環境でおきる急速な進化を解明することで、今後温暖化が進んだ世界の生物の動態を予測し、うまく対処することに繋がる。また、高温適応にかかわる遺伝子が解明されることで、将来の高温下で行われる農産物の開発の役に立つと期待される。

同研究成果は10月20日、『Science Advances』において電子出版された。