緑藻が真っ白になった理由―ゲノム解読で読み解くプロトテカの進化過程：筑波大学ほか
(2018年1月17日発表)
筑波大学、（国）理化学研究所の共同研究グループは1月17日に、緑藻なのに光合成を行わないプロトテカで葉緑体ゲノムと核ゲノムの解読を行ったところ、プロトテカ属の光合成能喪失の進化過程が独立に3 回起きており、異なるプロトテカの種で平行して光合成関連遺伝子が失われていることを明らかにしたと発表した。
陸上の植物や水中の藻類など地球上の光合成生物は、太陽の光エネルギーを化学エネルギーへと変換できる利点を生かして繁栄してきた。しかし植物や藻類の中には、光合成能力を捨てて、従属栄養生物へと進化した種が多く知られている。緑藻の1種プロトテカは、光合成する緑藻クロレラに近縁な単細胞生物であるが、海・池・下水や樹木など様々な環境に生息しており、中には寄生生物として動物に感染することでプロトテカ症を引き起こす種もある。クロレラの緑色の葉緑体とは異なり、プロトテカの葉緑体は葉緑素を持たないために白色に見え、光合成を行えず、環境中の栄養源を吸収して生きる従属栄養生物になっている。
本研究では、比較的最近に光合成能を失ったと考えられているプロトテカのゲノム配列を解読することで、光合成生物が光合成をやめる進化過程を明らかにできると考え、2種のプロトテカを用いて、次世代シークエンス技術を用いて、全ゲノム塩基配列を決定した。ゲノム配列を基に遺伝子予測を行い、プロトテカに近縁な光合成緑藻のゲノムと比較することで、遺伝子変化を解析した。
一般的に光合成生物では、光合成に関連する遺伝子は葉緑体と核のゲノムに存在するが、プロトテカの葉緑体と核のゲノムからは光合成関連遺伝子はほとんど見つからず、抜け落ちるように無くなっていた。一方、光合成関連以外の遺伝子に関しては、緑藻とプロトテカの間で顕著な違いは見られなかった。つまりプロトテカは、光合成をやめる過程で、光合成関連遺伝子群のみを捨てていることが明らかになった。
プロトテカに近縁な緑藻クロレラは、通常は光合成で生育するが、光を遮断しても栄養源を含む培地中では生育できる混合栄養生物である。そう考えると、混合栄養性であったプロトテカの祖先は光が届きにくく栄養豊富な環境へ適応する過程で、不必要となった光合成能を捨て、従属栄養生物として生きる道を選んだのだと考えられる。
光合成をやめて寄生生物となったプロトテカのなかまと比較すると、寄生性の種では光合成関連以外の遺伝子も多く消失していることが分かった。このことから、「光合成生物→自由生活性の従属栄養生物→寄生生物」と変化する中で不必要となった遺伝子が段階的に捨てられていくのではないかと考えられる。
また、葉緑体遺伝子を用いた分子系統解析により、プロトテカ属の中で光合成能が独立に3回失われていることが推察された。つまり、プロトテカの共通祖先ではなく、プロトテカ属の3種は種が分岐した後に別々に光合成能を失ったことになる。
プロトテカは光合成関連遺伝子をほぼ失っているが、ごく一部の光合成関連遺伝子を残している種がいる。今後は残存する遺伝子に関する研究を進めることで、光合成能喪失の過程をより詳しく知ることが可能だと考えられる。また本研究で得られたゲノム配列情報は、プロトテカ症に関する獣医学分野の研究にも今後活かされることが期待される。
