【研究領域課題番号】22K19342 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

共生 / 遺伝子水平伝播 / 原生生物 / ゲノム / 昆虫

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2022-06-30 - 2025-03-31

【配分額】6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)

【研究領域課題番号】20H02897 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

共生 / メタゲノミクス / 1細胞ゲノミクス / 腸内微生物 / 1細胞トランスクリプトミクス / 原生生物 / 難培養 / ゲノム / 未培養 / 昆虫

【研究成果の概要】

本研究課題の目的は、未培養原生生物（単細胞真核生物）の1細胞ゲノム解析手法の確立である。環境中には多様な原生生物が生息するが、未培養種も多く、それらの生理・生態は未知である。本研究ではシロアリ腸内原生生物群集を材料とするが、それらはシロアリの餌である木材の分解発酵の主要部分を担うと考えられているものの、純粋培養成功例は無く、詳細な機能は不明である。ゲノム解析を行うにしても、原生生物細胞ごとに系統が異なる可能性が高いため、単一細胞からのゲノムと（ゲノム解析補助のための）網羅的転写産物を同時に解析する必要がある。その技術的困難により、原生生物1細胞からの高完成度な新規ゲノム解読例は無く、1細胞転写産物解析も容易ではない。
2020年度（2021年度繰越含む）には、シロアリ原生生物種1細胞を物理的に単離し、同一細胞からの核DNAの全ゲノム増幅と細胞質中mRNAの逆転写及びcDNAのPCR増幅を行い、ゲノム配列再構築と遺伝子領域同定を行った。総塩基長は約150 Mb（推定完成度7割）、遺伝子数約2.8万で、100以上の糖質分解酵素遺伝子を含んでいた。これまで未知であったアミノ酸やビタミン類の合成経路なども判明しつつある。現段階で高品質の配列が取得できているが、予想した以上に異種生物の非特異的な核酸混入が見られ、その識別方法が大きな課題である。
また、原生生物には細胞内・表面に特定の細菌種が共生することが多い。これらは非特異的DNA混入とは異なり、必ず混入するものなので、あらかじめそれらのゲノム配列を取得しておくことが望ましい。そこで、同原生生物種の核を除いた部分から全ゲノム増幅を行い、まず細菌16S rRNA配列に基づく群集構造解析を行った。その結果12種類の共生細菌配列を取得した。この情報は、今後のゲノム配列解析の基盤となる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【配分額】17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円)

【研究領域課題番号】19K16208 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

多種共存 / 種多様性 / エコタイプ / 原生生物 / 腸内微生物叢 / 種分化 / シロアリ / 共生 / シングルセル

【研究成果の概要】

令和2年度までに、ヤマトシロアリ腸内オキシモナス目原生生物群集を対象とした1細胞18S rRNA遺伝子解析および網羅的18S rRNA遺伝子解析を行ってきた。これらの遺伝子データに基づき、種分化シミュレーションを試行した結果、33種のオキシモナス目原生生物が共存する可能性が示された。令和3年度は、特に同シミュレーションのパラメータの最適化を中心に、種推定の信頼性を検証した。令和2年度までのシミュレーションにおいて、遺伝的浮動にあたるパラメータ値の設定範囲が対象とするオキシモナス目群集に適したものであるか、具体的には、小さすぎるのではないかという疑問があった。そこで、遺伝的浮動また自然選択にあたるパラメータ設定をこれまでより広くとった。同オキシモナス目群集の集団サイズは比較的小さくまた垂直伝播時に強いボトルネックがかかることが予想されるにもかかわらず、同群集における遺伝的浮動の影響は非常に小さく、その一方で自然選択が強く働いているという可能性が示された。また、異なる生息地のヤマトシロアリ腸内オキシモナス目群集について解析を行った結果、これまで推定された33種のうち30種が異なる生息地のヤマトシロアリ腸内から検出された。本研究で推定したオキシモナス目原生生物33種の多くが、シロアリおよび腸内共生関係において必須の機能を保有している可能性が考えられた。現在、推定された各種の機能解析をすすめている。
並行して、令和2年度より引き続き、ヤマトシロアリを含めたReticulitermes複数種とオオシロアリの腸内オキシモナス目原生生物群集を対象に網羅的な分子系統解析を行なっている。未知系統(種)が予想より多く検出されるなどの問題に直面しており、さらなる解析が必要だと考えられる。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2019-04-01 - 2023-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】多様性生物学、人類学およびその関連分野

【研究領域課題番号】17K19423 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

共生 / 種分化 / 原生生物 / 腸内微生物 / メタン菌 / 難培養 / 細胞内共生 / 腸内細菌群集 / メタゲノム / 木質分解 / 昆虫 / 微生物

【研究成果の概要】

生物の種分化過程には様々な類型がある。本研究では、シロアリ腸内共生原生生物（単細胞真核生物）を題材として、原生生物と原核生物（細菌とアーキア）の細胞共生が原生生物の同所的種分化を引き起こすという仮説を立て、その検証を行った。その結果、材料とした原生生物はこれまで1属1種と考えられていたが、細胞内にメタン生成アーキアが共生するか否かで明確に2種に分離されることを明らかにした。また、同共生アーキアのゲノムを解読したところ、自由生活型の近縁種との相違が少なく、比較的最近成立した共生系であることが示唆された。追加の検証が必要ではあるが、以上によって、細胞共生による種分化の可能性が強く示された。

【研究の社会的意義】

生物の「種」がどのように形成されたか、というのは生物学上の重要なテーマである。本研究課題では、新たな種分化過程の仮説を提唱し、該当する可能性のある事例を材料として検証した。その結果、単細胞真核生物である原生生物の場合、細胞内に原核生物（細菌と古細菌）が共生することで種分化を引き起こす可能性が強く示唆された。これは、多様な原生生物種の存在を（部分的に）説明する、進化学上の重要な成果である。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2017-06-30 - 2019-03-31

【配分額】6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)

【研究分野】生態・環境

【研究領域課題番号】16H04840 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シロアリ / 共生 / 腸内微生物 / 原生生物 / セルロース / 進化 / 昆虫 / 腸内微生物群集 / セルラーゼ / 木質分解

【研究成果の概要】

シロアリの餌である木片の消化の大部分は、シロアリと1.5億年以上前に共生を開始した腸内原生生物群集が担っているが、それら原生生物の起源や共生に至った過程は未知である。本研究の主目的は、木質分解性原生生物を進化過程で喪失した「高等シロアリ」の一系統群が比較的最近、新規な木質分解性原生生物を再獲得した可能性の検証である。結果、新規原生生物は多様な高等シロアリに共生しているものの、多数の原生生物細胞が見られるのはやはり一系統群のみであること、同原生生細胞質が木片で充満していること、同原生生物を含む腸画分はセルロース分解活性を有することなど、今後の研究の基盤となる重要な情報を得ることができた。

【研究の社会的意義】

本研究では、比較的最近、新規に獲得されたと見られるシロアリ腸内微生物を題材とし、その系統と多様性、セルロース分解活性などを明らかにした。シロアリは木材の大害虫であるとともに、自然界では重要な分解者であり、その生理・生態の解明は基礎・応用科学の両面で重要である。本研究により、シロアリが腸内共生微生物を獲得する進化過程の一部が解明され、今後のシロアリ研究の基盤となる情報を得ることができた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)

【研究分野】獣医学

【研究領域課題番号】15K18782 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

レジオネラ / ゾウリムシ / 共生 / 細胞内寄生 / 原生生物 / ホロスポラ / 細胞内寄生菌

【研究成果の概要】

環境中で生存するレジオネラとその宿主である原生生物との共生関係を明らかにすることを目的に研究を行った。ゾウリムシを共生宿主とした解析により、レジオネラが持つ共生に必須な因子を複数同定した。また、レジオネラは特定の因子を用いることで原生生物との共生関係を維持あるいは解消し、生存戦略の一端として利用していることが示唆された。以上の結果は、レジオネラの生態解明に大きく貢献するものであり、環境中でのレジオネラの拡散防止法の開発に繋がることが期待できる。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】応用微生物学

【研究領域課題番号】25660054 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シングルセル / メタボローム / 共生 / 原生生物 / シロアリ

【研究成果の概要】

環境中で微生物は種同士が混在しながら緊密な関係性を築いており、局所的な微小領域での物質を介した細胞間相互作用は、生態系の物質循環の基盤であり解明が期待されている。しかし、具体的な物質を微小量で網羅的に観測する方法は確立されていない。本研究では、環境微生物の例としてシロアリ腸内微生物共生系を対象とし、共生原生生物１細胞でのメタボロミクス解析が可能となる手法の開発と、共生微生物の生産物質の解析を行った。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2013-04-01 - 2015-03-31

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】応用昆虫学

【研究領域課題番号】22658016 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

昆虫利用・機能開発 / 共生 / 難培養 / バイオマス / 原生生物 / シロアリ

【研究成果の概要】

近年、化石燃料価格高騰による経済被害や、その消費に伴う地球温暖化ガス放出などの環境破壊が、世界的な問題となっている。その解決策の一つが、植物質由来のバイオマス燃料開発と普及である。植物は空気中のCO_2を吸収して自身の体を構成するため、それを燃焼しても、CO_2濃度は上昇したことにならない(カーボンニュートラル)。しかし、種子を除き、植物の主成分はリグノセルロースという堅固な物質であり、動物は一般にこれを消化できないし、人工的な化学分解もコストが大きい。ところがシロアリは、腸内共生微生物の働きで高効率なリグノセルロース分解を実現している。そのため、シロアリの能力をバイオ燃料開発に応用しようという試みが、世界中で行われている。
問題は、シロアリ腸内共生微生物群が難培養性で、従来の培養を前提とした微生物学的研究がほぼ不可能ということである。そこで、網羅的なゲノム(全遺伝情報)解析や転写産物解析など、オミックスと呼ばれる手法が必要となる。そのためには、腸内共生微生物叢を単純化したモデル生物の使用が望ましいが、存在しない。
本研究課題では、その「モデルシロアリ」作成を試みている。出発材料として、わずか種類の原生生物しか共生していないシロアリ種を用いた。まずその腸内微生物の群集構造を、培養非依存的な分子生態学的手法により解析した。その結果、わずかに異なる2系統が1つの腸内に混在していた。今後、これを1系統にすることを一試みる。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】2,610千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 210千円)

【研究分野】生態・環境

【研究領域課題番号】18687002 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

難培養 / 微生物 / 細菌 / 共生 / ゲノム / シロアリ / 昆虫 / バイオマス / 腸内細菌 / 原生生物 / 環境 / セルロース

【研究成果の概要】

地球上の99%以上の微生物種は培養法が不明であり、その生理・生態はほとんど未知である。本研究では、シロアリ腸内に共生する培養不能細菌の1種の少数細胞から、DNA合成酵素を使用することで全遺伝子情報を1千万倍に増幅して完全解読する手法の確立を試み、世界で初めて成功した。これにより、これまで詳細が不明であったシロアリと腸内原生生物、腸内細菌の複雑な3者共生機構を世界で初めて明らかにした。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】15,600千円 (直接経費: 12,000千円、間接経費: 3,600千円)