サンゴ共生藻と刺胞動物の共生成立と崩壊を制御する分子メカニズムの解明

• Project/Area Number: 22KJ3216
• Project/Area Number (Other): 20J01658 (2020-2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2020-2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 45040:Ecology and environment-related
• Research Institution: Kyoto University (2021-2023); Miyagi University of Education (2020)
• Principal Investigator: 石井 悠 (2020-2021, 2023) 京都大学, 農学研究科, 特別研究員(PD) (40770813)
• Research Fellow: 石井 悠 (2022) 京都大学, 農学研究科, 特別研究員(PD) (40770813)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2023: ¥392,025 (Direct Cost: ¥301,557、Indirect Cost: ¥90,468); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 褐虫藻 / 共生 / サンゴ

Outline of Research at the Start

サンゴやイソギンチャクなどの刺胞動物は単細胞藻類である褐虫藻と細胞内で共生し、その光合成能力から熱帯・亜熱帯海域の一次生産者として大きな役割を担うが、その共生成立の分子メカニズムは明らかになっていない。そこで本研究では、刺胞動物と褐虫藻の細胞内オルガネラや細胞内分子に対する阻害剤や遺伝子操作株などを用いて、刺胞動物と褐虫藻の共生関係や共生能力に関係する細胞機能やメカニズムを分子レベルで明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、熱帯・亜熱帯海域の一次生産者として大きな役割を担うサンゴやイソギンチャクなどの刺胞動物と単細胞藻類である褐虫藻との細胞内共生の分子メカニズムを明らかにすることを目的としている。当該年度は、これまでに行った研究内容をまとめ、論文改訂と国際誌への投稿作業などを行った。
一般的に刺胞動物と褐虫藻の細胞内共生では、褐虫藻から刺胞動物に光合成産物を、刺胞動物から褐虫藻へはすみかや栄養塩を渡すと考えられているが、その分子メカニズムは明らかになっていない。この物質交換に着目して研究を行った結果、宿主なしで褐虫藻を単独培養した培地中に糖を分泌宿主なしで褐虫藻を単独培養した培地中に糖が分泌され、さらに低pH刺激により糖分泌は促進されることを見出した。通常のpHと低pHの培地で培養した褐虫藻の形態解析、遺伝子発現量解析、酵素活性測定により、宿主に依存しない糖分泌は褐虫藻の細胞壁の分解によって起こることを示した。褐虫藻は細胞分裂の際に最外層の細胞壁をあたかも「殻」の様に脱ぐことで分裂が進むため、細胞壁の一部は不要な「殻」として捨てられると考えらえてきた。本研究結果により、これまで不要と考えられていた「殻」が、実は共生関係や生態系の炭素循環において大きな役割を担っているという新しい仮説を提唱することができた。本研究は国際学術誌eLife誌に受理された。
昨年度までの刺胞動物の発生を制御する分子のスクリーニングに用いたデータを再解析したところ、刺胞動物幼生では不可逆点後に蛍光タンパク質の発現量が変化することを見出した。サンゴ成体の蛍光は褐虫藻を誘引することが知られ、幼生での蛍光タンパク質の発現量の変化は、褐虫藻との共生タイミングの制御に関わる可能性が考えられる。

Research Products

• [Journal Article] Environmental pH signals the release of monosaccharides from cell wall in coral symbiotic alga (2023)
  • Author(s): Ishii Yuu、Ishii Hironori、Kuroha Takeshi、Yokoyama Ryusuke、Deguchi Ryusaku、Nishitani Kazuhiko、Minagawa Jun、Kawata Masakado、Takahashi Shunichi、Maruyama Shinichiro
  • Journal Title: eLife Volume: 12
  • DOI: 10.7554/elife.80628
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Gene expression alterations from reversible to irreversible stages during coral metamorphosis (2022)
  • Author(s): Yuu Ishii, Masayuki Hatta, Ryusaku Deguchi, Masakado Kawata, Shinichiro Maruyama
  • Journal Title: Zoological Letters Volume: 8 Issue: 1 Pages: 4-4
  • DOI: 10.1186/s40851-022-00187-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 褐虫藻は共生していることをどう感じているのか (2022)
  • Author(s): 石井悠
  • Journal Title: BSJ-Review Volume: 13 Issue: A Pages: 3-12
  • DOI: 10.24480/bsj-review.13a2.00220
  • ISSN: 2432-9819
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 共生のトレードオフ-糖代謝からみる刺胞動物と褐虫藻の細胞内共生 (2022)
  • Author(s): 石井悠
  • Organizer: 第39回 原生成物・寄生虫・進化セミナー
  • Invited
• [Presentation] 褐虫藻が共生様式を進化させる過程で選択を受けた遺伝子の解析 (2022)
  • Author(s): 石井悠、金森駿介、出口竜作、河田雅圭、丸山真一朗
  • Organizer: 日本植物学会第86回大会
• [Presentation] 褐虫藻は共生していることをどう感じているのか (2021)
  • Author(s): 石井悠
  • Organizer: 日本植物学会 第85回大会
  • Invited
• [Presentation] サンゴ発生過程における変態可逆性に関わる遺伝子発現パターン (2021)
  • Author(s): 石井悠、服田昌之、出口竜作、河田雅圭、丸山真一朗
  • Organizer: 第92回日本動物学会オンライン米子大会
• [Presentation] 渦鞭毛藻類Symbiodiniaceaeが低pH刺激によりグルコースを分泌するメカニズムと意義 (2021)
  • Author(s): 石井悠、石井宏憲、高橋俊一、黒羽剛、篠原直貴、横山隆亮、出口竜作、西谷和彦、皆川純、河田雅圭、丸山真一朗
  • Organizer: 日本藻類学会第45回大会
• [Remarks] サンゴ共生藻が栄養を放出する新経路を発見－細胞壁が支える持続可能な共生炭素循環のしくみ－
  • URL: https://www.k.u-tokyo.ac.jp/information/category/science/10449.html