【研究領域課題番号】21H04742 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

共生体 / 褐虫藻 / サンゴ / シャコガイ / サンゴ礁

【研究成果の概要】

海の熱帯雨林とも称されるサンゴ礁では、刺胞動物のサンゴや二枚貝のシャコガイが褐虫藻と呼ばれる微細な藻類と共生して繁栄している。本研究では、観察により得られた「現象」に関与する「物質」の詳細を明らかにし、それら物質の共生体内での「局在・分布・遷移」を可視化することで、生命現象が複雑に絡み合う褐虫藻共生システムを体系的に理解することを目的とする。令和3年度は主にシャコガイ類を用いて実験を実施した。シャコガイの生殖腺からDNAを抽出して次世代シーケンサーによる新規ゲノム解読に着手し、現在150を超えるコンティグを得ている。代謝物の解析はシャコガイの外套膜、生殖腺、中腸腺、腎臓、エラ、筋肉をそれぞれ個別に採取し、液体クロマトグラフ質量分析計や核磁気共鳴装置等の機器を用いて実施した。その結果、各部位ごとに特徴的な代謝物の存在が明らかとなったため、組織中での実際の局在をイメージング質量分析顕微鏡で確認した。また、外套膜由来の抽出物をゲル濾過によりサイズ分画してシャコガイから単離した褐虫藻培養株に添加した。添加後、褐虫藻の光合成活性を二次元イメージングクロロフィル蛍光測定装置により測定したところ、いくつかの画分で活性や増殖に影響が見られた。さらに、シャコガイ内で褐虫藻が共生する特殊な器官である共生藻管の分布を明らかにするため、小型のシャコガイを用いて３次元内部構造顕微鏡観察を実施した。シャコガイ内の褐虫藻の多くは外套膜に分布していたが、貝柱周辺やエラ基部などにも褐虫藻が存在することを確認した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2021-04-05 - 2025-03-31

【配分額】41,990千円 (直接経費: 32,300千円、間接経費: 9,690千円)

【研究領域課題番号】21K14766 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

サンゴ / 褐虫藻 / ホロビオント / カロテノイド生産菌 / ゼアキサンチン / FISH解析 / サンゴホロビオント / 共生 / 活性酸素種

【研究成果の概要】

本研究では褐虫藻-カロテノイド生産菌を中心にサンゴホロビオントにおける生物間相互作用をマルチオミクス解析により明らかにし、カロテノイド生産菌が褐虫藻のROS産生を軽減する機構を全容解明する。本年度は、まずサンゴと共生する主要な褐虫藻であるCladocopiumおよびDurusdiniumの継続的な培養を開始し、カロテノイド生産菌の分離培養を試みた。Cladocopiumからはオレンジ色を呈するコロニーを形成するフラボバクテリウム科細菌C-2466株を発見した。有機溶媒を用いて色素を抽出後、逆相TLC分析を実施したところ、C-2466株はゼアキサンチンを含む複数のカロテノイドを合成することが明らかになった。これまでに本研究者らが褐虫藻から発見しているフラボバクテリウム科細菌GF1株（Motone et al. mBio 2020）よりも色素量が多かったことから、褐虫藻の環境ストレスを緩和する有望な菌株となる。さらにDNAプローブを用いたFluorescence in situ hybridization（FISH解析）を行ったところ、C-2466株はCladocopiumの細胞表面に局在していることを確認した。抗生物質による無菌化を試みたCladocopiumにおいても、C-2466株の残存が確認されたことから、CladocopiumとC-2466株は強力な共生関係を構築していると考えられた。C-2466株から高品質なゲノム抽出に成功し、次世代シーケンサーによるシーケンシング解析を実施することができたため、ゲノム科学的な手法も用いて、褐虫藻-細菌の相互作用メカニズムを解明していきたい。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2021-04-01 - 2024-03-31

【配分額】4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)

【研究領域課題番号】20H03235 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

サンゴ / 褐虫藻 / 共生 / ゲノム

【研究成果の概要】

サンゴ礁を形成する造礁サンゴは、細胞内の共生藻類、褐虫藻と密接な相利共生関係を築いている。しかし温暖化などの地球規模の環境変動により、サンゴと褐虫藻の共生関係の崩壊、白化現象が頻発しており、世界中でサンゴ礁が減少を続けている。一方でサンゴ礁の基盤となるサンゴ-褐虫藻の共生メカニズムやその成立・維持の分子機構は、未だ多くが謎のままである。本研究はゲノム科学的手法を駆使し、現在進行系の環境変動の影響を受け続けているサンゴと褐虫藻の共生関係が、実際の海の中でどのように成立・維持されているのか、そのゲノム基盤を理解することを目的とする。

褐虫藻との共生を開始する前のミドリイシ属サンゴの幼生に、由来の異なる複数の褐虫藻培養株を感染させ、それぞれの株に対するサンゴの遺伝子発現応答を比較解析することで、本来のサンゴ共生褐虫藻との共生に関わる遺伝子の特定を行った。サンゴ由来の褐虫藻感染時にのみ、代謝系に関わる遺伝子群の発現低下やそれら輸送体の発現上昇が確認された。これらには遺伝子重複により生じた遺伝子がいくつか含まれており、褐虫藻との共生を可能にするサンゴのゲノム基盤の成立には、遺伝子重複が重要であった可能性が示唆された。

18種のミドリイシ科のサンゴのゲノムを解読し、他の公開されているサンゴや刺胞動物との比較ゲノム解析により、現在地球上で最も繁栄している造礁サンゴの一つであるミドリイシ属のゲノムにのみ見られる特徴をいくつか発見した。この中には、褐虫藻との共生への関与が予想される遺伝子もいくつか含まれていた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【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】水圏生命科学

【研究領域課題番号】17K07949 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

サンゴ / 環境DNA / 褐虫藻 / ゲノム

【研究成果の概要】

気候変動などの影響によりサンゴ礁の状況は刻々と深刻化しており、そのきめ細かいモニタリングは重要である。本研究は、海水中に存在する環境DNAに注目し、海水を汲むだけでサンゴの検出を可能にする、新たなモニタリング手法の開発を目指した。サンゴと共生藻類を海水から検出できるのか確認するために水槽実験を行った結果、海水中の環境DNAは近傍に存在するサンゴの状況を良く反映していることが明らかになった。

【研究の社会的意義】

海水中の環境DNAは近傍に存在するサンゴの状況を反映しているのか、太平洋・インド洋の代表的な造礁サンゴであるミドリイシ属を用いて、水槽実験を行い検証した。実験に使用した全てのサンゴ、共生している共生藻類のDNA配列タイプを、海水中から検出することができた。水槽飼育したサンゴ由来の環境DNAは、それぞれのサンゴの水中重量・種組成と相関していることから、環境DNAを用いたサンゴのモニタリングは可能であると考えられる。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2017-04-01 - 2021-03-31

【配分額】4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)

【研究分野】構成的システム生物学

【研究領域課題番号】17KT0027 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

サンゴ / 褐虫藻 / 共生 / ゲノム / 遺伝子

【研究成果の概要】

サンゴは、宿主動物の造礁サンゴと共生している藻類が共生し、あたかも一つの生物、ホロビオントとして生存する。本研究では、サンゴと褐虫藻のゲノム情報を活用し、複雑なサンゴ“ホロビオント”構成原理の解明に挑んだ。サンゴ幼生への褐虫藻培養株の感染実験と網羅的遺伝子発現解析により、共生に関わるサンゴの遺伝子群を特定した。これらの機能推定や進化的背景が明らかになり、多様なサンゴの共生メカニズムの存在が示唆された。

【研究の社会的意義】

異なる褐虫藻感染株をサンゴ幼生へ感染させて、サンゴの遺伝子発現変動を網羅的に解析・比較することで、サンゴと褐虫藻の共生に重要な、サンゴの遺伝子群を特定することができた。これらのいくつかは、特定のサンゴ分類群で遺伝子重複により独自に誕生しており、サンゴの多様な共生メカニズムの存在が示唆された。さらにサンゴから単離された褐虫藻株、褐虫藻との共生様式が異なるサンゴの全ゲノム解読を行い、サンゴと褐虫藻の共生メカニズムをゲノム科学的に多方面から解析する研究基盤を構築した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2017-07-18 - 2021-03-31

【配分額】13,780千円 (直接経費: 10,600千円、間接経費: 3,180千円)

【研究分野】遺伝・染色体動態

【研究領域課題番号】16K07454 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

渦鞭毛藻 / サンゴ / 紫外線吸収物質 / 褐虫藻 / ゲノム / ポリケチド / 多様性 / 遺伝子クラスター / エピジェネティックス / エピゲノム / ヒドロキシメチルウラシル / メチルシトシン / 核ゲノム / 酵素 / 核酸 / エピジェネティクス

【研究成果の概要】

サンゴに共生する渦鞭毛藻類の褐虫藻Symbiodiniaceaeは、少なくとも15のグループに分けることができるが、そのゲノム多様性やエピゲノムに関する研究は進んでいない。本研究では褐虫藻2種の全ゲノム配列（767 Mbと705 Mb）を決定した。比較解析により、二次共生により紅藻から獲得したと考えられる遺伝子の重複や損失が褐虫藻の多様化に影響してきたことを明らかにした。解読した褐虫藻ゲノムを利用し、毒合成を含む二次代謝産物ポリケチドの合成に関わる酵素遺伝子群を明らかにした。今後は、報告したゲノム基盤を使って、褐虫藻のエピゲノムの多様性の比較解析を展開していくことが可能である。

【研究の社会的意義】

サンゴには複数の種類の褐虫藻が共生していることが知られている。これまでは、サンゴと褐虫藻の共生関係の崩壊により引き起こされる白化現象の分子メカニズムを研究する上での褐虫藻のゲノム情報基盤が不足していた。本研究における2種の褐虫藻ゲノムの報告は、今後、サンゴ白化現象の分子メカニズムをゲノムや代謝産物レベルで解析する上での研究基盤を提供しており、学術的意義が高い。また二次代謝産物ポリケチドの合成に関わる酵素遺伝子群を網羅的に解析したことは、有毒渦鞭毛藻による食中毒や赤潮の問題に分子レベルの研究から取り組んで行く上でのよい比較データを提供しており、社会的意義があると考えられる。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)

【研究分野】生態・環境

【研究領域課題番号】26291094 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

サンゴ礁生態系 / 海洋生態 / 生物圏現象 / 共生生物学 / 海洋保全 / 褐虫藻 / サンゴ / Acropora tenuis

【研究成果の概要】

室内実験の結果，遺伝子型A1とA3の褐虫藻はAcropora tenuis幼生との共生が成立したが，遺伝子型A2の褐虫藻は幼生から排出された。幼生の着生や生残に褐虫藻の遺伝子型や褐虫藻の有無は影響しなかった。野外実験では，A1とA2の褐虫藻を取り込ませた幼生を野外の格子状基盤に着生させたが，その後の観察によりA2の褐虫藻は速やかに排出され，新たに環境中から取り込んだと思われるA1やDの褐虫藻に入れ替わっていた。本研究では実験に使用したA. tenuisサンゴとA1褐虫藻培養株のゲノム解読を行うとともに，プロテオーム解析により約2000個のA. tenuisタンパク質を定量可能となった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】15,990千円 (直接経費: 12,300千円、間接経費: 3,690千円)

【研究分野】基礎ゲノム科学

【研究領域課題番号】21710199 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

サンゴ / 褐虫藻 / 共生 / 白化現象 / 遺伝子発現応答

【研究成果の概要】

サンゴと褐虫藻の共生システムの分子メカニズムを、次世代シークエンサーを用いて網羅的・ゲノム科学的に明らかにすることを目的とする。トランスクリプトームとゲノムの情報を用いて、サンゴ(コユビミドリイシAcropora digitifera)の全遺伝子を網羅したcDNAマイクロアレイを作成し、ストレス下での遺伝子発現変化を解析した。さらにサンゴのゲノム情報から、ストレス応答に関わっているとされる遺伝子について、ゲノム科学的な解析を行った。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2009 - 2011

【配分額】4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)