底生有孔虫類の遺伝的分化機構の解明：生態的な要因が遺伝的集団の分化に与える影響

2018 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 17K05696
• 研究機関: 国立研究開発法人海洋研究開発機構
• 研究代表者: 土屋 正史 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 海洋生物多様性研究分野, 技術研究員 (00435835)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 層位・古生物学 / 系統進化 / 海洋生態 / 古環境変遷 / 底生有孔虫 / 同位体生態 / 分子系統学

研究実績の概要

本研究では，岩礁地性底生有孔虫(Elphidium crispum，Pararotalia nipponica)を対象とし，生態的な要因が遺伝的分化機構に影響を及ぼすことを検証するものである。地理的隔離や宿主の環境応答が，地域集団の形成に関与することは広く知られている。しかし，宿主の資源利用の違いや環境中から獲得する内生微細藻類の環境応答が，宿主の遺伝的分化に寄与する可能性については不明な点がある。岩礁地性底生有孔虫は，岩礁地の石灰藻の葉上に生息し，遊走子を放出する有性生殖様式を持つ。このため，類似した地理的隔離による遺伝的分化を経ていれば，類似した遺伝的分化パターンを示すはずである。一方，宿主や内生生物の生態的な影響による集団の維持機構が存在したのであれば，異なる遺伝的分化パターンを示す可能性がある。
宿主の分子系統地理学的解析では，ITS領域を解析した結果，両種間で遺伝的分化パターンが大きく異なることが示された。E.crispumは，少なくとも3つの地域集団(サブクレード)に明瞭に分かれ，分岐パターンは高い信頼度で支持された。一方，P.nipponicaは，ほぼ同一の塩基配列を持ち，地域集団に相当するクレードは存在しないことから，現在も遺伝的な交流が継続的に生じていると考えられる。さらに，次世代アンプリコン解析を用いて，内生生物の葉緑体16S rRNAの遺伝的多様性解析を行った結果，珪藻由来の葉緑体を保持していることが明らかとなった。解析した2種の有孔虫の至適生息条件は，それぞれ水温20℃，塩分35であるが，両種とも10℃，25でも生存できるため，日本海における最終氷期の低温・低塩分環境でも集団の維持が可能であったと推測できる。両種は生活様式や生殖様式が類似しているものの，餌資源の利用形態が異なるため，内生生物の獲得の有無が集団の維持に大きな影響を及ぼした可能性が高い。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

平成30年度は，平成29年度末に明らかになった4つの問題点について解析を行った。1）異なる遺伝的分化パターンは，分析数を増やしても同じようなパターンを示し，一般性があるのか，2）どのくらいの規模の遺伝的集団を形成し，種間でその規模が異なるか，3）細胞内の微細藻類の遺伝的多様性がどの程度存在するか，4）細胞内の微細藻類には種特異性はあるのか，緯度方向で獲得する珪藻種に違いはあるのか，に着目した。29年度に行った解析に加え，合計131個体，431配列(E. crispum:79個体，259配列, P. nipponica:52個体，172配列)の遺伝子配列データを取得し，両種の遺伝的分化パターンが大きく異なることを示した(1)。また，E. crispumと類似した遺伝的分化パターンを持つ岩礁地性底生有孔虫Planoglabratella opercularisと比較した結果，前者の方が遺伝的な集団の規模や過去の遺伝的交流の規模が広い可能性が推察された。遊走子の分散能力は，遺伝的集団の規模に関係している可能性が高い(2)。さらに，次世代シーケンサーを用いたアンプリコン解析から細胞内の微細藻類の遺伝的多様性を各11個体(11地点)で比較した(3，4)。また，アミノ酸窒素同位体比分析に基づく栄養段階推定から，両種の栄養依存形態が異なることを主筆論文1編としてEcology and Evolutionに出版した。また，4編の関連共著論文と，14件の共同発表を含む学会発表を行った。主筆論文として出版した成果は，本研究課題において，環境変化に伴う宿主の集団の維持機構が，餌の獲得様式に関与する可能性を示す証拠として重要な位置づけとなる。以上の研究の進捗と関連研究論文の出版・成果公表から，当初目標を十分に達成できていると判断した。

今後の研究の推進方策

宿主有孔虫の分析については，これまでの実験によりデータを集積できているが，まだ空白地域が残されている。このため，最終年度は，1)宿主有孔虫について，空白地域を補完する遺伝子データを取得する計画である。また，2)細胞内内生生物の遺伝的多様性解析については，次世代シーケンサーを用いたアンプリコン解析を行ったが，E. crispum，P. nipponicaともに，現時点では，綱までの同定しかできておらず，今後，科（もしくは属）まで，配列データから同定し，個体内（細胞内）の遺伝的多様性および地域間の変異の存在を明らかにする必要がある。また，3)細胞内内生生物の多様性解析については，各地点1個体ずつしか解析できておらず，地理的な差異や細胞内の多様性については，十分に解析することができていない。このため，平成31年度は，個体数と地点数を増やして解析を行う予定である。以上の解析に加え，内生生物の多様性解析で明らかになった珪藻(属)種については，環境耐性をデータベース・文献から調査する予定である。これらの解析により，宿主の集団の維持メカニズムと遺伝的分化機構の関係を解明することができる。また，宿主の遺伝的分化パターンと環境耐性・宿主の栄養段階推定から得られた栄養依存様式とを統合する。このことによって，餌資源の利用形態や内生生物(共生藻類や盗葉緑体)の存在形態が，底生有孔虫類の遺伝的集団の成立を促し，遺伝的分化パターンの違いとなって顕在化していることを示す。以上の研究により，有孔虫における新たな地域集団の形成機構を提示することで，本課題を達成することができると考えている。研究の成果は，学会等で公表するとともに，国内外の研究者と議論を行い，論文として取り纏める予定である。

次年度使用額が生じた理由

平成30年度は，計画どおり効率的な予算の執行に努めた。しかし，年度末の研究集会が他用務と重なってしまったため，3日間の研究集会期間のうち，2日しか参加することができなかった。このため，予定していた宿泊費等に若干の未使用が生じてしまった。平成31年度は，最終年度であることから，出張費など年末までに執行するような計画としたい。

研究成果

• [国際共同研究] University of Geneva/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne/University of Lausanne(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: University of Geneva/Ecole Polytechnique Federale de Lausanne/University of Lausanne
• [国際共同研究] University of Helsinki(フィンランド)
  • 国名: フィンランド
  • 外国機関名: University of Helsinki
• [国際共同研究] Universite d'Angers(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Universite d'Angers
• [国際共同研究] Woods Hole Oceanographic Institution(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Woods Hole Oceanographic Institution
• [国際共同研究] University of Bremen(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: University of Bremen
• [雑誌論文] Taming chlorophylls allowed eukaryotes to prosper on the oxygenated Earth. (2019)
  • 著者名/発表者名: Kashiyama Y, Yokoyama A, Shiratori T, Bachy C, Gutierrez-Rodriguez A, Not F, Hess S, Wang M, Chen M, Gong Y, Seto K, Kagami M, Hamamoto Y, Honda D, Umetani T, Shihongi A, Kayama M, Matsuda T, Taira J, Yabuki A, Tsuchiya M, Hirakawa Y, Kawaguchi A, Nomura M, Nakamura A, Namba N, Matsumoto M, Tanaka T, Yoshino T et al.
  • 雑誌名: The ISME journal 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41396-019-0377-0
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Compound-specific isotope analysis of benthic foraminifer amino acids suggests microhabitat variability in rocky-shore environments. (2018)
  • 著者名/発表者名: Tsuchiya M, Chikaraishi Y, Nomaki H, Sasaki Y, Tame A, Uematsu K, Ohkouchi N
  • 雑誌名: Ecology and Evolution 巻: 00 ページ: 1-16
  • DOI: 10.1002/ece3.4358
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A new analytical method for determination of the nitrogen isotopic composition of methionine: Its application to aquatic ecosystems with mixed resources. (2018)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa NF, Chikaraishi Y, Takano Y, Sasaki Y, Takizawa Y, Tsuchiya M, Tayasu I, Nagata T, Ohkouchi N
  • 雑誌名: Limnology & Oceanography: Methods 巻: 16 ページ: 607-620
  • DOI: 10.1002/lom3.10272
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Morphological and genetic description of Syringammina limosa sp. nov., the first xenophyophore (Foraminifera) from the deep Sea of Okhotsk. (2018)
  • 著者名/発表者名: Voltski I, Weiner AKM, Tsuchiya M, Kitazato H
  • 雑誌名: Deep-Sea Research Part II 巻: 154 ページ: 32-46
  • DOI: 10.1016/j.dsr2.2017.12.001
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A new method for acquiring images of meiobenthic images using the FlowCAM. (2018)
  • 著者名/発表者名: Kitahashi T, Watanabe H, Tsuchiya M, Yamamoto Hideyuki, Yamamoto Hiroyuki
  • 雑誌名: Methods X 巻: 5 ページ: 1330-1335
  • 査読あり
• [学会発表] メイオファウナを用いた環境影響評価手法の検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 北橋 倫，中村匡聡，西島美由紀，猪又健太郎，土屋正史，渡部裕美，山本啓之
  • 学会等名: ブルーアースサイエンス・テク2019
• [学会発表] 海底堆積物からマイクロプラスチックを分離するための新しい器具の考案 (2019)
  • 著者名/発表者名: 中嶋亮太，土屋正史，北橋 倫，Dhugal Lindsay，藤倉克則，福島朋彦
  • 学会等名: 第53回日本水環境学会年会（2018年度）
• [学会発表] Syringammina limosa sp. nov. and other xenophyophores from the north-west Pacific (the Sea of Okhotsk and Kuril-Kamchatka Trench region) (2018)
  • 著者名/発表者名: Voltski I, Weiner AKM, Tsuchiya M, Kitazato H
  • 学会等名: International Symposium on Foraminifera (FORAMS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] A comprehensive look on the endobiotic community and ecology of deep-sea foraminifera Bolivina subornata. (2018)
  • 著者名/発表者名: Karoliina A. Koho, Iines Salonen, Hidetaka Nomaki, Myrsini Chronopoulou, Dewi Langlet and Masashi Tsuchiya
  • 学会等名: International Symposium on Foraminifera (FORAMS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] The adaptation potential of benthic foraminifera from extremely warm reefs in the Persian Gulf. (2018)
  • 著者名/発表者名: Schmidt C, Morard, R, Burt J, Theara G, Vaughan G, Tsuchiya M, Kucera M
  • 学会等名: International Symposium on Foraminifera (FORAMS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Cellular ultrastructure in benthic foraminifera: general observations and focus on kleptoplasts. (2018)
  • 著者名/発表者名: LeKieffre C, Jauffrais T, Geslin E, Koho KA, Tsuchiya M, Meibom A, Bernhard J
  • 学会等名: International Symposium on Foraminifera (FORAMS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Variation in foraminiferal cytoplasm structures and its possible relationships between environmental conditions. (2018)
  • 著者名/発表者名: Nomaki H, Tsuchiya M, Tame A, Matsuzaki T
  • 学会等名: International Symposium on Foraminifera (FORAMS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Abyssal ecosystems and biogeochemical cycles revealed by in-situ experiments. (2018)
  • 著者名/発表者名: Nomaki H, Rastelli E, Amaro T, Tsuchiya M, Seike K, Kitahashi T, Suga H, Miyamoto N, Ogawa NO, Danovaro R, Nunoura T, Ohkouchi N
  • 学会等名: 15th Deep Sea Biology Symposium 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Detecting the effect of scientific drilling on meiofauna with the traditional, metagenomic and image-based methods (2018)
  • 著者名/発表者名: Kitahashi T, Sugime S, Nakamura M, Nishijima M, Inomata K, Tsuchiya M, Watanabe HK, Yamamoto H
  • 学会等名: 15th Deep Sea Biology Symposium 2018
  • 国際学会
• [学会発表] A new small device made of glass for separating microplastics from marine sediments. (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakajima R, Tsuchiya M, Kitahashi T, Lindsay D, Fujikura K, Fukushima T
  • 学会等名: The Association for the Sciences of Limnology and Oceanography (ASLO 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] 深海底科学掘削に伴う掘削屑がメイオファウナ群集に与えた影響ーイメージング・フローサイトメーターを用いた結果との比較 (2018)
  • 著者名/発表者名: 北橋 倫，杉目幸恵，土屋正史，渡部裕美，山本啓之
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2018年大会
• [学会発表] 生態的要因による岩礁地性底生有孔虫の遺伝的集団の遷移と形成 (2018)
  • 著者名/発表者名: 土屋正史，石渡祐一，吉田尊雄，藤倉克則
  • 学会等名: 日本古生物学会2018年年会
• [学会発表] 有孔虫類の分子生物学的研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 土屋正史
  • 学会等名: 日本古生物学会2018年年会
  • 招待講演
• [学会発表] 掘足類ヤカドツノガイと経卵伝達される細菌の関係 (2018)
  • 著者名/発表者名: 生田哲朗，多米晃裕，高木善弘，齋藤正輝，力石嘉人，土屋正史，藤倉克則，吉田尊雄
  • 学会等名: 第2回日本共生生物学会
• [図書] アメーバのはなし (2018)
  • 著者名/発表者名: 永宗 喜三郎、島野 智之、矢吹 彬憲（「2.8.2自由生活性」「コラム 微化石」を分担執筆）
  • 総ページ数: 152
  • 出版者: 朝倉書店
  • ISBN: 978-4-254-17168-6