Maintenance of diatom bloom by viruses

• Project/Area Number: 19H00956
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 40:Forestry and forest products science, applied aquatic science, and related fields
• Research Institution: Fisheries Research and Education Agency
• Principal Investigator: 外丸 裕司 国立研究開発法人水産研究・教育機構, 水産技術研究所(廿日市), 主任研究員 (10416042)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 三木 健 龍谷大学, 先端理工学部, 教授 (00815508) ; 山口 晴生 高知大学, 教育研究部自然科学系農学部門, 准教授 (10432816) ; 本郷 悠貴 国立研究開発法人水産研究・教育機構, 水産資源研究所(横浜), 主任研究員 (20737316) ; 羽野 健志 国立研究開発法人水産研究・教育機構, 水産技術研究所(廿日市), 主任研究員 (30621057)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥45,110,000 (Direct Cost: ¥34,700,000、Indirect Cost: ¥10,410,000); Fiscal Year 2023: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000); Fiscal Year 2022: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000); Fiscal Year 2021: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000); Fiscal Year 2020: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000); Fiscal Year 2019: ¥9,750,000 (Direct Cost: ¥7,500,000、Indirect Cost: ¥2,250,000)
• Keywords: 珪藻 / ウイルス / ゲノム / ssDNA / ssRNA / 連続培養 / ブルーム / 増殖速度 / 半連続培養 / 代謝産物 / 遺伝子発現

Outline of Research at the Start

珪藻は植物プランクトンの一種であり，その膨大な生産力は豊かな海洋生態系を支える原動力となっている。珪藻は，自身を殺すウイルスが存在しても長期の大増殖を維持することが可能である。その仕組みは未だ謎であるが，一つの仮説として珪藻はウイルス感染に抵抗する術を持ちつつも，分裂不調な細胞をウイルスで速やかに殺し，栄養塩として再利用する可能性が示唆されている。本課題では，海洋珪藻の全く新しい生態戦略「ウイルス感染死を介した珪藻のブルーム維持戦略」を提唱することを最終目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

珪藻個体群に占めるウイルス感染率の直接的測定手法を構築する技術の高度化を図るため、プライマーならびにプローブの再設計を行った。過年度に構築した新規連続培養装置について、無菌系で高精度、かつ操作性を向上させる改良を行うことができた。珪藻の死滅過程における代謝産物の変化をメタボローム解析で詳細に捉えるための実験を行った。本実験ではウイルス感染させない場合のフラスコ内での自然死を先ず対象とした。その結果、過年度に報告した糖/アミノ酸比の変化に加え、様々な代謝産物の変動を明らかにする事に成功した。一方、ウイルス感染実験では、ウイルス感染時に宿主細胞内で発現している遺伝子を網羅的に解析すると同時に、メタボローム解析で遺伝子発現の結果となる代謝産物の変動を解析した。これにより、宿主珪藻とウイルスの関わりの一部を確認することができた。珪藻・ウイルスの現場調査では、既存の珪藻株に感染するウイルスの性状を明らかにしていく過程で、既知の珪藻ウイルスとは性状が異なる可能性のある溶藻因子を分離した。さらに栄養制限に陥った珪藻の酵素発現を調べていく過程において、極度の栄養制限で珪藻個体群はウイルス感染を回避できる可能性が高まった。これにより研究当初に描いていた珪藻とウイルスの関係性について、部分的な再考が必要となった。また、新たな珪藻-ウイルス関係における新たな感染モデルを構築する材料が整った。これまでの5年間の研究を通し、当初目標としていた仮説の検証をする事ができた。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ウプサラ大学(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] ウプサラ大学(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] ウプサラ大学(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] ウプサラ大学(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] ヘルシンキ大学(フィンランド)
• [Int'l Joint Research] ウプサラ大学(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] ヘルシンキ大学(フィンランド)
• [Journal Article] Transcriptional responses of the marine diatom Chaetoceros tenuissimus to phosphate deficiency (2023)
  • Author(s): Hongo Yuki、Hano Takeshi、Yamaguchi Haruo、Tomaru Yuji
  • Journal Title: Gene Volume: 884 Pages: 147695-147695
  • DOI: 10.1016/j.gene.2023.147695
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Establishment of a simple method for cryopreservation of the marine diatoms, Chaetoceros and Phaeodactylum (2023)
  • Author(s): Yamaguchi Haruo、Sumida Narumi、Matsukawa Kazutsugu、Adachi Masao、Tomaru Yuji、Ishikawa Kosuke、Hotta Jun-ichi
  • Journal Title: Journal of Applied Phycology Volume: 35 Issue: 5 Pages: 2285-2293
  • DOI: 10.1007/s10811-023-03040-w
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single-Cell Level Raman Molecular Profiling Reveals the Classification of Growth Phases of <i>Chaetoceros tenuissimus</i> (2023)
  • Author(s): Ando Masahiro、Sugiyama Kaori、Kubo Koya、Horii Shumpei、Hano Takeshi、Tomaru Yuji、Takeyama Haruko
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry B Volume: 127 Issue: 22 Pages: 5027-5033
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.3c02152
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chronological age-related metabolome responses in the dinoflagellate Karenia mikimotoi, can predict future bloom demise (2023)
  • Author(s): Hano Takeshi, Tomaru Yuji
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 6 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s42003-023-04646-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Transcriptional Responses of the Marine Planktonic Diatom <i>Chaetoceros tenuissimus</i> to Nitrogen- and Phosphorus-deficient States (2022)
  • Author(s): YAMAGUCHI Haruo、INOUE Minoru、TANIMOTO Yuko、SUMIDA Narumi、ADACHI Masao、KIMURA Kei、TOMARU Yuji
  • Journal Title: Japan Agricultural Research Quarterly: JARQ Volume: 56 Issue: 3 Pages: 295-301
  • DOI: 10.6090/jarq.56.295
  • ISSN: 0021-3551, 2185-8896
  • Year and Date: 2022-07-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structural Insights into Common and Host-Specific Receptor-Binding Mechanisms in Algal Picorna-like Viruses (2022)
  • Author(s): Wang H, Munke A, Tomaru T, Okamoto T
  • Journal Title: Viruses Volume: 14 Issue: 11 Pages: 2369-2369
  • DOI: 10.3390/v14112369
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Primordial Capsid and Spooled ssDNA Genome Structures Unravel Ancestral Events of Eukaryotic Viruses (2022)
  • Author(s): Munke Anna、Kimura Kei、Tomaru Yuji、Wang Han、Yoshida Kazuhiro、Mito Seiya、Hongo Yuki、Okamoto Kenta
  • Journal Title: mBio Volume: 13 Issue: 4
  • DOI: 10.1128/mbio.00156-22
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Detection and Characterization of RNA Viruses in Red Macroalgae (Bangiaceae) and Their Food Product (Nori Sheets) (2022)
  • Author(s): Mizutani Yukino、Chiba Yuto、Urayama Syun-ichi、Tomaru Yuji、Hagiwara Daisuke、Kimura Kei
  • Journal Title: Microbes and Environments Volume: 37 Issue: 5 Pages: n/a
  • DOI: 10.1264/jsme2.ME21084
  • ISSN: 1342-6311, 1347-4405
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ICTV Virus Taxonomy Profile: Marnaviridae 2021 (2021)
  • Author(s): Lang Andrew S.、Vlok Marli、Culley Alexander I.、Suttle Curtis A.、Takao Yoshitake、Tomaru Yuji、ICTV Report Consortium
  • Journal Title: Journal of General Virology Volume: 102 Issue: 8 Pages: 001633-001633
  • DOI: 10.1099/jgv.0.001633
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The genome of the diatom Chaetoceros tenuissimus carries an ancient integrated fragment of an extant virus (2021)
  • Author(s): Hongo Yuki、Kimura Kei、Takaki Yoshihiro、Yoshida Yukari、Baba Shuichiro、Kobayashi Genta、Nagasaki Keizo、Hano Takeshi、Tomaru Yuji
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 22877-22877
  • DOI: 10.1038/s41598-021-00565-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 藻類ゲノムに伝播したウイルス様遺伝子とその進化的役割 (2021)
  • Author(s): 本郷悠貴、外丸裕司
  • Journal Title: 日本藻類学会誌 Volume: 69 Pages: 160-164
  • NAID: 40022749758
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] RNA Viruses in Aquatic Unicellular Eukaryotes. (2021)
  • Author(s): Sadeghi M, Tomaru Y, Ahola T
  • Journal Title: Viruses Volume: 13 Issue: 3 Pages: 362-362
  • DOI: 10.3390/v13030362
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Growth Rate-dependent Cell Death of Diatoms due to Viral Infection and Their Subsequent Coexistence in a Semi-continuous Culture System (2021)
  • Author(s): Tomaru Y, Yamaguchi H, Miki T
  • Journal Title: Microbes and Environments Volume: 36 Issue: 1 Pages: n/a
  • DOI: 10.1264/jsme2.ME20116
  • NAID: 130007964998
  • ISSN: 1342-6311, 1347-4405
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Chronological distribution of dino_agellate-infecting RNA virus in marine sediment core. (2021)
  • Author(s): Takahashi, M, Wada, K, Takano, Y, Matsuno, K, Masuda, Y, Arai, K, Murayama, M, Tomaru, Y, Nagasaki, K
  • Journal Title: Sci Total Env Volume: 770 Pages: 20-20
  • DOI: 10.1016/j.scitotenv.2021.145220
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The possibility of using marine diatom-infecting viral promoters for the engineering of marine diatoms. (2020)
  • Author(s): Kadono T, Tomaru Y, Suzuki K, Yamada K, Adachi M
  • Journal Title: Plant Science Volume: - Pages: 110475-110475
  • DOI: 10.1016/j.plantsci.2020.110475
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Viral RNA Genomes Identified from Marine Macroalgae and a Diatom (2020)
  • Author(s): Chiba Yuto、Tomaru Yuji、Shimabukuro Hiromori、Kimura Kei、Hirai Miho、Takaki Yoshihiro、Hagiwara Daisuke、Nunoura Takuro、Urayama Syun-ichi
  • Journal Title: Microbes and Environments Volume: 35 Issue: 3 Pages: n/a
  • DOI: 10.1264/jsme2.ME20016
  • NAID: 130007855486
  • ISSN: 1342-6311, 1347-4405
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Novel Protocol for Estimating Viruses Specifically Infecting the Marine Planktonic Diatoms. (2020)
  • Author(s): Tomaru Y, Kimura K
  • Journal Title: Diversity Volume: 12 Issue: 6 Pages: 225-225
  • DOI: 10.3390/d12060225
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Previously unknown ssDNA molecules coccurring with CdebDNAV infecting the marine planktonic diatom Chaetoceros debilis (2020)
  • Author(s): Tomaru Y, Toyoda K, Kimura K
  • Journal Title: Phycological Research Volume: 68 Issue: 4 Pages: 269-276
  • DOI: 10.1111/pre.12435
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Capsid structure of a marine algal virus of the order Picornavirales. (2020)
  • Author(s): Munke A, Kimura K, Tomaru Y, Okamoto K
  • Journal Title: J Virol Volume: 94 Issue: 9 Pages: 1-20
  • DOI: 10.1128/jvi.01855-19
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Preliminary Analysis of Diatom-infecting Viruses in Ariake Sound, Japan (2019)
  • Author(s): Tomaru Y, Matsubara T, Mine T, Shikata T, Nagasaki K, Kimura K, Yamaguchi H
  • Journal Title: Japan Agricultural Research Quarterly: JARQ Volume: 53 Issue: 3 Pages: 223-228
  • DOI: 10.6090/jarq.53.223
  • NAID: 130007706259
  • ISSN: 0021-3551, 2185-8896
  • Year and Date: 2019-07-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Metabolomics-based approach to explore growth phase-dependent markers in cultured diatom Chaetoceros tenuissimus (2019)
  • Author(s): Hano T, Tomaru Y
  • Journal Title: Journal of Chromatography B Volume: 1128 Pages: 121779-121779
  • DOI: 10.1016/j.jchromb.2019.121779
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Novel marine diatom ssRNA virus NitRevRNAV infecting Nitzschia reversa. (2019)
  • Author(s): Toyoda K, Kimura K, Osada K, Williams DM, Adachi T, Yamada K, Tomaru Y
  • Journal Title: Plant Ecology and Evolution Volume: 152 Issue: 2 Pages: 178-187
  • DOI: 10.5091/plecevo.2019.1615
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] プランクトン群集における共生・寄生 珪藻ウイルス研究のこれまでとこれから (2019)
  • Author(s): 外丸裕司
  • Journal Title: 海洋と生物 Volume: 41 Pages: 301-305
• [Presentation] 海産珪藻Chaetoceros tenuissimusのウイルス感染時の遺伝子発現 (2024)
  • Author(s): 本郷悠貴、羽野健志、外丸裕司
  • Organizer: 日本藻類学会2024
• [Presentation] 珪藻に感染するDNAウイルスの感染特性から評価と感染機構の理解 (2024)
  • Author(s): 前田伊央莉、吉田和広、外丸裕司、木村圭
  • Organizer: 日本藻類学会2024
• [Presentation] 植物プランクトンに感染するウイルスの研究～水産学的な役割を探る～ (2024)
  • Author(s): 外丸裕司
  • Organizer: 農芸化学会中四国支部大会
  • Invited
• [Presentation] 浦ノ内湾における珪藻Chaetoceros tenuissimusおよび同藻感染ウイルスの諸性状 (2023)
  • Author(s): 山本脩生、外丸裕司、山口晴生
  • Organizer: 土佐湾生物学会2023
• [Presentation] Diatom viruses isolated from coastal waters and sediments in western Japan (2023)
  • Author(s): Tomaru Yuji
  • Organizer: ICHA20
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 珪藻RNAウイルスの感染特異性はウイルス吸着過程に依存するのか？ (2022)
  • Author(s): 水戸誠也、外丸裕司、木村圭
  • Organizer: 令和4年度日本プランクトン学会ベントス学会合同大会
• [Presentation] 新たに分離したChaetoceros tenuissimus感染ウイルスクローンの殺藻特性に基づいた同ウイルスー宿主珪藻の生態学的関係 (2022)
  • Author(s): 佐藤立都、山口晴生、外丸裕司
  • Organizer: 令和4年度日本プランクトン学会ベントス学会合同大会講演要旨集
• [Presentation] 海産珪藻Chaetoceros tenuissimusのゲノム中に見られた感染性ウイルス遺伝子の挿入履歴 (2022)
  • Author(s): 本郷悠貴、羽野健志、外丸裕司、他
  • Organizer: 日本藻類学会第46回大会
• [Presentation] 珪藻と珪藻ウイルスに関する生理生態学的研究Ⅰ．宿主殺藻に及ぼす栄養塩の影響 (2021)
  • Author(s): 佐藤立都、山口晴生、外丸裕司
  • Organizer: 令和3年度日本水産学会秋季大会
• [Presentation] Integration of ssDNA fragment from an infectious virus in the genome of the diatom Chaetoceros tenuissimus. (2021)
  • Author(s): 本郷悠貴、外丸裕司、他
  • Organizer: Aquatic Virus Workshop 10
• [Presentation] 海の牧草を持続的に管理するウイルス (2021)
  • Author(s): 外丸裕司
  • Organizer: 高知大学 研究拠点プロジェクト2020年度 公開シンポジウム海の恵みを享受するために
  • Invited
• [Presentation] 珪藻感染性DNAウイルスゲノムに存在する 機能不明遺伝子の発現 (2019)
  • Author(s): 外丸裕司
  • Organizer: 日本微生物生態学会第33回大会
• [Presentation] Challenges for detecting diverse viruses infecting marine planktonic diatoms from coastal sediments (2019)
  • Author(s): Tomaru Yuji
  • Organizer: EastHAB2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 本邦沿岸底泥における珪藻Chaetoceros tenuissimusの分布 (2019)
  • Author(s): 角田成美
  • Organizer: 令和元年度日本水産学会秋季大会
• [Book] 理科年表 (2020)
  • Author(s): 外丸裕司、長崎慶三
  • Total Pages: 1204
  • Publisher: 丸善出版
  • ISBN: 9784621305607