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Loss of photosynthesis and stimulation of heterotrophy: trophic evolution through long-term cultivation

Research Project

Project/Area Number 18K19173
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 38:Agricultural chemistry and related fields
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

Yuichi Fujita  名古屋大学, 生命農学研究科, 教授 (80222264)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 井原 邦夫  名古屋大学, 遺伝子実験施設, 准教授 (90223297)
Project Period (FY) 2018-06-29 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2018: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Keywords光合成 / シアノバクテリア / 適応進化 / 光合成独立栄養 / 従属栄養 / パートナースイッチングシステム / 従属栄養生育 / ストレス応答 / パートナースウィッチングシステム / アンチシグマ因子 / ゲノムリシーケンス / トランスポゾン / ゲノム / 緑藻 / 共生
Outline of Final Research Achievements

To observe the evolutionary process of loss of photosynthetic capacity in oxygenic photosynthetic organisms, the cyanobacterium Leptolyngbya boryana, which has the ability to grow heterotrophically in the dark using glucose as an energy and carbon sources, was cultured under dark heterotrophic conditions for a long time. We isolated many dark-adapted variants with significantly reduced or lost photosynthetic growth ability and significantly stimulated dark heterotrophic growth ability. Genome resequencing analysis revealed that many of the variants had diverse mutations in the rsbU gene encoding serine phosphatase. Mutants in which rsbU was singly disrupted were isolated to confirm that loss of function of rsbU leads the dark-adapted phenotype. These results suggested that in L. boryana a partner-switching system involving RsbU regulates the gene expression to be suitable for photosynthetic and heterotrophic conditions.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

被子植物を始め酸素発生型光合成生物において光合成能力を喪失した系統が多数認められる。このような生物が、光合成能を失い従属栄養的生育のみの生活様式を取るように転換していった進化の過程を観察した事例はない。本研究では、その進化過程を実験室において半年から4年間という時間スケールで観察し、以下のような進化経路を再現した。すなわち、まず、光合成栄養と従属栄養に適した遺伝子発現を調整する遺伝子制御系に変異が生じ、より暗所従属栄養条件への適応を進め、同時に光合成独立栄養能を大幅に低下させる。その後、光合成能力を失う変異の蓄積を許容する。このような光合成機能喪失の進化を初めて具体的に観察したことは意義深い。

Report

(5 results)
  • 2021 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report
  • 2018 Research-status Report
  • Research Products

    (13 results)

All 2022 2021 2020 2019 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (10 results) (of which Invited: 2 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Extracellular Vesicle-Mediated Secretion of Protochlorophyllide in the Cyanobacterium Leptolyngbya boryana2022

    • Author(s)
      Kentaro Usui, Haruki Yamamoto, Takao Oi, Mitsutaka Taniguchi, Hitoshi Mori, Yuichi Fujita
    • Journal Title

      Plants

      Volume: 11 Issue: 7 Pages: 910-910

    • DOI

      10.3390/plants11070910

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Formation of prolamellar-body-like ultrastructures in etiolated cyanobacterial cells overexpressing light-dependent protochlorophyllide oxidoreductase in <i>Leptolyngbya boryana</i>2020

    • Author(s)
      Yamamoto H, Kojima-Ando, H, Ohki K, Fujita Y
    • Journal Title

      The Journal of General and Applied Microbiology

      Volume: 66 Issue: 2 Pages: 129-139

    • DOI

      10.2323/jgam.2020.01.009

    • NAID

      130007855511

    • ISSN
      0022-1260, 1349-8037
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] シアノバクテリアLeptolyngbya boryanaのrsbU欠損がもたらす暗所従属栄養生育の向上と光合成独立栄養生育の低下2022

    • Author(s)
      西尾万里恵、肥田真太郎、高谷信之、山本治樹、藤田祐一
    • Organizer
      第63回日本植物生理学会年会(オンライン)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] シアノバクテリアLeptolyngbya boryanaにおけるクロロフィル生合成中間体プロトクロロフィリドの細胞外小胞を介した分泌機構2022

    • Author(s)
      臼井健太郎、山本治樹、大井崇生、谷口光隆、森仁志、藤田祐一
    • Organizer
      第63回日本植物生理学会年会(オンライン)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] シアノバクテリアの暗所継続培養による光合成生育能の低下と喪失2021

    • Author(s)
      肥田真太朗、西尾万梨恵、山本治樹、平出優人、上坂一馬、井原邦夫、藤田祐
    • Organizer
      第28回光合成セミナー2021(オンライン)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] シアノバクテリアLeptolyngbya boryanaの光合成色素生合成欠損株における色素排出機構の解析2021

    • Author(s)
      臼井健太郎、山本治樹、大井崇生、谷口光隆、森仁志、藤田祐一
    • Organizer
      第11回日本光合成学会年会(オンライン)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 光合成生物が光合成をやめるとき:シアノバクテリアの暗所継続培養による光合成能喪失2020

    • Author(s)
      藤田祐一
    • Organizer
      立命館大学生命科学部生体ネットワーク研究室セミナー(online)
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 暗所従属栄養条件に適応したシアノバクテリア派生株のゲノムリシーケンス解析2020

    • Author(s)
      肥田真太朗、上坂一馬、山本治樹、高市真一、井原邦夫、藤田祐一
    • Organizer
      第14回日本ゲノム微生物学会年会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] 暗所従属栄養条件への適応によって光合成生育能を喪失したシアノバクテリア2020

    • Author(s)
      肥田真太朗、山本治樹、上坂一馬、井原邦夫、高市真一、藤田祐一
    • Organizer
      第61回日本植物生理学会年会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] シアノバクテリアLeptolyngbya boryanaの暗所継続培養による暗所従属栄養能促進と光合成生育能欠失2019

    • Author(s)
      藤田祐一、肥田真太朗、戸松千映、上坂一馬、井原邦夫
    • Organizer
      ラン藻ゲノム交流会
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      2019 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] シアノバクテリアLeptolyngbya boryanaの暗所従属栄養環境への適応に伴う光合成機能の喪失2019

    • Author(s)
      肥田真太朗、山本治樹、上坂一馬、戸松千映、井原邦夫、藤田祐一
    • Organizer
      藍藻の分子生物学2019
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] シアノバクテリアLeptolyngbya boryanaにおける暗所従属栄養生育による光合成生育能の喪失2019

    • Author(s)
      肥田真太朗、山本治樹、上坂一馬、戸松千映、井原邦夫、藤田祐一
    • Organizer
      第60回日本植物生理学会年会
    • Related Report
      2018 Research-status Report
  • [Remarks] 光合成能を失ったシアノバクテリア

    • URL

      https://www.agr.nagoya-u.ac.jp/~microbio/research9.html

    • Related Report
      2019 Research-status Report

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Published: 2018-07-25   Modified: 2023-01-30  

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