Phylogeny and character evolution of dinoflagellates with the haptophyte-type chloroplast

• Project/Area Number: 21K15150
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 45030:Biodiversity and systematics-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 高橋 和也 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 特任研究員 (00821109)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 細胞内共生 / 葉緑体置換 / 渦鞭毛藻 / ハプト藻 / 分子系統解析 / 盗葉緑体 / 系統 / 分類 / 微細構造

Outline of Research at the Start

典型的な光合成性渦鞭毛藻は，他の藻類にはみられない光合成色素ペリディニンを含む葉緑体をもつが，一部の渦鞭毛藻ではこの葉緑体を進化的に失った後，ハプト藻類を細胞内共生させることでハプト藻型葉緑体を獲得したものもある。近年ハプト藻型葉緑体をもつ渦鞭毛藻未記載種が複数観察された。これらの分子系統解析は，系統的に多様な宿主渦鞭毛藻が互いに近縁なハプト藻型葉緑体をもつという対立関係を示している。本研究では，これら未記載種の微細構造や光合成色素組成，系統関係を明らかにすることで，渦鞭毛藻の中でハプト藻型葉緑体の獲得が起こった回数と，それぞれの獲得に関連する形質の共通点と相違点を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，渦鞭毛藻がもつハプト藻型色素体が系統的にいつ，何回，どのように獲得されたかを解明することを目的とする。最終年度は，研究期間全体を通じて得られた成果の公表に集中した。
本研究で単離されたGymnodinium sp.を光顕，走査・透過電顕に基づいて形態観察した。その結果，宿主細胞は馬蹄形の上錐溝をもつ点などの点が同属の特徴に一致し，28S rRNA遺伝子に基づく分子系統解析でもこの見解が支持された。複数の色素体コード遺伝子に基づく系統関係は，本種の色素体がハプト藻起源であることを支持したが，本種は独立栄養的に増殖し，色素体以外のハプト藻細胞構築物を欠くことから，これまで色素体がハプト藻起源であることが知られていたカレニア科以外の系統でも，ハプト藻との高度な統合が起こったことが示された。本成果は最終年度，ECOP-ISOP joint meetingで発表した。
Gymnodinium sp.の色素体はカレニア科色素体に類似し，色素体遺伝子に基づく分子系統解析でも親和性を示した。そこで，カレニア科渦鞭毛藻19種から葉緑体コード6遺伝子をサンガー法に基づいて決定し，系統樹を作成するとともに，この系統関係を宿主核コード28S rRNA系統と比較した。その結果，カレニア科やGymnodinium sp.色素体は主に系統的に近縁なハプト藻に由来するが，トポロジーの多くは宿主との系統関係と不一致であり，中にはEmiliania色素体の近年の取り込みに由来するものなど明らかに起源の異なるものもあり，これまでの考えよりも多くの回数，ハプト藻色素体が確立されたことが示唆された。本成果は最終年度，国際有害藻類学会で発表した。
Kapelodinium sp.もまた，本研究で単離された新規のハプト藻型色素体保有種であり，本種の記載報告と色素体確立過程に関する論文を執筆している。

Research Products

• [Presentation] A non-kareniacean dinoflagellate with a haptophyte-derived plastid indicates multiple tertiary endosymbioses (2023)
  • Author(s): Kazuya Takahashi, Takuro Nakayama, Yuji Inagaki, Elisabeth Hehenberger, Mitsunori Iwataki
  • Organizer: ECOP-ISOP joint meeting 2023, Vienna
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Plastid molecular phylogeny of the unarmored dinoflagellate family Kareniaceae suggests multi-parallel haptophyte symbioses (2023)
  • Author(s): Kazuya Takahashi, Garry Benico, Mitsunori Iwataki
  • Organizer: 20th International Conference on Harmful Algae (ICHA)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ハプト藻葉緑体をもつ渦鞭毛藻の蛍光in situ ハイブリダイゼーション法に基づく細胞学的観察 (2023)
  • Author(s): 高橋 和也，岩滝 光儀
  • Organizer: 日本藻類学会第47回大会
• [Presentation] マトリョーシカはどこまで包む?渦鞭毛藻の三次 葉緑体成立過程を示す細胞構造と系統の証拠 (2022)
  • Author(s): 高橋 和也
  • Organizer: 日本植物学会第86回大会シンポジウム「共生したら葉緑体になった件、ならなかった件:細胞生態 学的視点から見た光合成微生物の個性と生存戦略」
  • Invited
• [Presentation] 無殻渦鞭毛藻カレニア科のハプト藻型葉緑体系統が示す多重並列共生 (2022)
  • Author(s): 高橋和也，Garry Benico，岩滝光儀
  • Organizer: 日本藻類学会第46回大会 オンライン福井・2022
• [Presentation] Morphology, pigment composition and phylogeny of an unarmored dinoflagellate Gertia sp., a peridinin-containing species in the Kareniaceae (2021)
  • Author(s): Kazuya Takahashi, Wai Mun Lum, Mitsunori Iwataki
  • Organizer: 19th International Conference on Harmful Algae, Mexico 2021
  • Int'l Joint Research