Characterization of endosymbiotic evolution by focusing on the mechanisms for coping with photosynthetic oxidative stress

• Project/Area Number: 17H01446
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Evolutionary biology
• Research Institution: National Institute of Genetics
• Principal Investigator: Miyagishima Shin-ya 国立遺伝学研究所, 遺伝形質研究系, 教授 (00443036)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥41,860,000 (Direct Cost: ¥32,200,000、Indirect Cost: ¥9,660,000); Fiscal Year 2019: ¥12,090,000 (Direct Cost: ¥9,300,000、Indirect Cost: ¥2,790,000); Fiscal Year 2018: ¥12,610,000 (Direct Cost: ¥9,700,000、Indirect Cost: ¥2,910,000); Fiscal Year 2017: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000)
• Keywords: 細胞内共生 / 光合成 / 酸化ストレス / 細胞分裂 / 葉緑体

Outline of Final Research Achievements

It is believed that chloroplasts were established through predation and the temporary or facultative retention of photosynthetic prey and then permanent endosymbiotic relationship with photosynthetic organisms (or chloroplasts) by a unicellular eukaryotic host cell. In this study, we have analyzed how organisms in different stages of endosymbiotic evolution cope with photosynthetic oxidative stress. We have found that some mechanisms for coping with photosynthetic oxidative stress had been acquired stepwisely in prey-predator and temporal endosymbiotic relationships before establishment of permanent endosymbiotic relationships (chloroplasts).

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

光合成酸化ストレスへの対処機構は、すでに葉緑体との絶対共生関係を確立させている真核藻類・植物においての研究例があったが、本研究により、捕食―被食関係の段階においても真核藻類・植物に見られる機構の一部が成立していたことが初めて明らかとなった。また、これまでほとんど不明であった細胞内共生進化の初期段階について、絶対共生関係を構築するために必要な機構や遺伝子群を、宿主細胞が捕食―被食関係の段階から漸進的に獲得したという知見が得られた。これらの結果は、細胞内共生進化を理解するために重要な、これまでになかった視点からの発見である。

Research Products

• [Journal Article] Responses of unicellular predators to cope with the phototoxicity of photosynthetic prey. (2019)
  • Author(s): Uzuka, A., Kobayashi, Y., Onuma, R., Hirooka, S., Kanesaki, Y., Yoshikawa, H., Fujiwara, T., Miyagishima, S.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 10 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41467-019-13568-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Day/night separation of oxygenic energy metabolism and nuclear DNA replication in the unicellular red alga Cyanidioschyzon merolae (2019)
  • Author(s): Miyagishima, S., Era, A., Hasunuma, T., Matsuda, M., Hirooka, S., Sumiya, N., Kondo, A., Fujiwara, T.
  • Journal Title: mBio Volume: 10 Issue: 4
  • DOI: 10.1128/mbio.00833-19
  • NAID: 120006733160
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Integration of a Galdieria plasma membrane sugar transporter enables heterotrophic growth of the obligate photoautotrophic red alga Cynanidioschyzon merolae (2019)
  • Author(s): Fujiwara Takayuki、Hirooka Shunsuke、Mukai Mizuna、Ohbayashi Ryudo、kanesaki Yu、Watanabe Satoru、Miyagishima Shin-ya
  • Journal Title: Plant Direct Volume: 3 Issue: 4
  • DOI: 10.1002/pld3.134
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Integration of a Galdieria plasma membrane sugar transporter enables heterotrophic growth of the obligate photoautotrophic red alga Cynanidioschyzon merolae (2019)
  • Author(s): Fujiwara, T., Hirooka, S., Mukai, M., Ohbayashi, R., kanesaki, Y., Watanabe, S., and Miyagishima, S.
  • Journal Title: Plant Direct Volume: in press
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Acidophilic green algal genome provides insights into adaptation to an acidic environment (2017)
  • Author(s): Hirooka, S., Hirose, Y., Kanesaki, Y., Higuchi, S., Fujiwara, T., Onuma, R., Era, A., Ohbayashi, R., Uzuka, A., Nozaki, H., Yoshikawa, H., and Miyagishima, S.
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA. Volume: 114 Issue: 39
  • DOI: 10.1073/pnas.1707072114
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 藻食単細生物における餌の光毒性に対する対処機構 (2019)
  • Author(s): 宮城島 進也，宇塚 明洋，小林 優介，大沼 亮，廣岡 俊亮，藤原 崇之
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] 細胞内共生による光合成真核生物の成立と光合成の毒性への対処 (2019)
  • Author(s): 宮城島 進也
  • Organizer: 第13回日本ゲノム微生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] 細胞内共生と光合成生物の進化・多様化 (2018)
  • Author(s): 宮城島 進也
  • Organizer: 第51回日本原生生物学会公開シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Cyanidiales for interdisciplinary and international studies (2018)
  • Author(s): Shin-ya Miyagishima
  • Organizer: International Symposium: Cyanidioschyzon merolae as an arising model for unicellular eukaryotes
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 細胞内共生による葉緑体の獲得光合成の毒性による制約 (2018)
  • Author(s): 宮城島 進也
  • Organizer: 日本植物学会第82回大会
  • Invited
• [Presentation] ミトコンドリアと葉緑体のようなエネルギー変換器はどの様に誕生したか－微細藻類を用いて細胞内共生による生命進化を探る (2018)
  • Author(s): 宮城島 進也
  • Organizer: 大隅基礎科学創成財団 第三回創発セミナー
  • Invited
• [Presentation] 細胞内共生に関する基礎研究と 産業利用に向けた研究における微細藻類の利用 (2017)
  • Author(s): 宮城島 進也
  • Organizer: ナショナルリソースプロジェクト公開成果報告会
  • Invited
• [Presentation] 真核宿主細胞と細胞内共生体由来オルガネラの協調増殖機構 (2017)
  • Author(s): 宮城島 進也
  • Organizer: 第17回名古屋大学遺伝子実験施設公開セミナー
  • Invited
• [Presentation] 真核細胞と葉緑体・光合成性細胞内共生体の協調増殖機構 (2017)
  • Author(s): 宮城島 進也
  • Organizer: 2017年度生命科学系学会合同年次大会
  • Invited
• [Presentation] 真核宿主細胞と細胞内共生オルガネラの協調増殖機 (2017)
  • Author(s): 宮城島 進也
  • Organizer: 日本進化学会シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 真核細胞と葉緑体・光合成性細胞内共生体の時間分業による協調増殖機構 (2017)
  • Author(s): 宮城島 進也
  • Organizer: 生物リズム若手研究者の集い２０１７
  • Invited