【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)