Virus-driven clockwork in lower tropic level marine ecosystem and its impact on the ocean

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21H05057
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 吉田 天士 京都大学, 農学研究科, 教授 (80305490)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 長崎 慶三 高知大学, 教育研究部自然科学系理工学部門, 教授 (00222175) ; 緒方 博之 京都大学, 化学研究所, 教授 (70291432) ; 神川 龍馬 京都大学, 農学研究科, 准教授 (40627634) ; 山本 圭吾 地方独立行政法人大阪府立環境農林水産総合研究所(環境研究部、食と農の研究部及び水産研究部), その他部局等, 総括研究員 (80503937) ; 大美 博昭 地方独立行政法人大阪府立環境農林水産総合研究所(環境研究部、食と農の研究部及び水産研究部), その他部局等, 主幹研究員 (00503939) ; 高尾 祥丈 福井県立大学, 海洋生物資源学部, 准教授 (00511304)
• Project Period (FY): 2021-07-05 – 2026-03-31
• Keywords: 海洋ウイルス / 海洋微生物 / 微細藻類 / オミックス解析 / 海洋低次生態系

Outline of Annual Research Achievements

海洋において光合成微生物へのウイルス感染に日周性を見出した。そこで、娘ウイルス放出に伴って漏出される光合成産物（=有機物）を起点として、海洋低次生態系全体へ及ぶ日周性をはじめとする周期性をオミックス解析により検出し、その分子機構を解明する。本年度の研究成果は、以下の通りである。
（１）大阪湾口部における原核生物優占種・ウイルスの調査を継続して行った。主な成果として、夏季の大阪湾で3時間ごとに30時間にわたり海水を採取し、ウイルスゲノ由来転写物を調査した。構築した2,795 個のウイルスゲノムの宿主を予測し、宿主細菌の代謝の概日性を反映した宿主特異的なウイルス転写活性上昇を見出した。 また、大阪湾の優占微生物系統として4つの一酸化炭素酸化菌系統とそれぞれの異なる季節動態を見出した。
（２）ハプト藻ラピ藻Pavlomulina ranunculiformisと相互作用する2株の細菌分離株を得た。
（３）原核生物画分を独立栄養培地で集積培養することにより、ナノ真核藻類を効率よく集積する手法を確立した。さらにナノ真核藻類株の一つ、ハプト藻Phaeocystis jahniiを溶藻するウイルス様因子を分離することに成功した。
（４）赤潮形成藻類種の違いにより、系統的に異なる原核生物の増殖を促し、それらの原核生物感染性ウイルスの動態にまでその差異が影響することを明らかにした。
（５）従属真核微生物ラビリンチュラとウイルス感染させたH. akashiwoとの共培養系を構築し、ラビリンチュラ遊走子がウイルスによって溶藻した細胞に誘引されることを観察した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

マイクロコズム実験により、赤潮形成藻類種の違いが、原核生物群集とその原核生物感染性ウイルスの動態にまで影響することを明らかにした。公共データベースに公開されている海洋微生物群集に関する時系列データと比較することで、本観察結果が環境でも確認され、本研究成果は米国微生物学会国際誌にて受理・公表された。マイクロコズム実験での観察と環境時系列データの比較による妥当性の検証の流れは、本プロジェクトの根幹をなすもので、藻類種の差異や藻類のウイルス感染の有無による起点となる有機物による生態学的カスケードを解明することを可能にしたことからこの評価となった。
また、これと呼応して起点となる藻類種の効果的な分離方法を確立し培養藻類株を拡大することも可能となった。藻類ウイルス株の培養化も達成しつつある。
さらに藻類種と相互作用することが予想される新規な一酸化炭素酸化菌系統を見出し、ラピ藻と協調して増殖する原核微生物系統の分離を達成した。マイクロコズム系での検証可能な組み合わせが拡大した。新たに、藻類-ラビリンチュラを用いたマイクロコズムも構築することができ、高次生態系への脂質成分の移行を調査することが可能となった。

Strategy for Future Research Activity

当初計画通り海洋低次生態系の代謝・感染の日周動態を解明、ウイルス感染培養系を用いたメソコズム実験による時計仕掛け解明を引き続き優先課題として取り組み、ウイルス感染の周期性という海洋物質循環を駆動する基本原理を解明し、周期性が低次生態系に及ぼす中・長期的影響と海洋システム全体への波及効果を検証する。
これまでの成果で、海洋に自由生活者として生息する100種程度（各月では30～50種）の優占原核微生物種とそれらのウイルスについての構造を明らかとした。令和6年度は、真核画分に含まれる粒子付着）型の原核微生物群集構造を捉え、未培養細菌の分離を試みる。また、日周変動を再現するマイクロコズム系の構築を試み、ウイルス群集構造の変動を含めより精度の高い解析を行い、これまで環境で観察した日周変動の分子メカニズムの解明を試みる。また、藻類-ウイルス-ラビリンチュラ相互作用系を用いたマイクロコズムによる、高次生態系への脂質成分の移行過程を検討する。

Research Products

• [Journal Article] Taxonomic difference in marine bloom-forming phytoplanktonic species affects the dynamics of both bloom-responding prokaryotes and prokaryotic viruses. (2024)
  • Author(s): Takebe, H., Tominaga, K., Isozaki, T., Watanabe, T., Yamamoto, K., Kamikawa, R. and Yoshida, T.
  • Journal Title: mSystems Volume: 9 Pages: e00949-23
  • DOI: 10.1128/msystems.00949-23
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Virus-prokaryote infection pairs associated with prokaryotic production in a freshwater lake. (2024)
  • Author(s): Shen, S., Tominaga, K., Tsuchiya, K., Matsuda, T., Yoshida, T. and Shimizu, Y.
  • Journal Title: mSystems Volume: 9 Pages: e00906-23
  • DOI: 10.1128/msystems.00906-23
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A rumen virosphere with implications of contribution to fermentation and methane production, and endemism in cattle breeds and individuals. (2024)
  • Author(s): Sato, Y., Takebe, H., Tominaga, K., Yasuda, J., Kumagai, H., Hirooka, H. and Yoshida, T.
  • Journal Title: Appl. Environ. Microbiol Volume: 90 Pages: aem.01581-23
  • DOI: 10.1128/aem.01581-23
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Isolation of viruses, including mollivirus, with the potential to infect Acanthamoeba from a Japanese warm temperate zone. (2024)
  • Author(s): Morimoto, D., Tateishi, N., Takahashi, M. and Nagasaki, K.
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: 19 Pages: e0301185
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0301185
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Population-level prokaryotic community structures associated with ferromanganese nodules in the Clarion-Clipperton Zone (Pacific Ocean) revealed by 16S rRNA gene amplicon (2023)
  • Author(s): Tominaga, K., Takebe, H., Murakami, C., Tsune, A., Okamura, O., Ikegami, I., Onishi, Y., Kamikawa, R. and Yoshida, T.
  • Journal Title: Environ. Microbiol. Rep. Volume: 16 Pages: e13224
  • DOI: 10.1111/1758-2229.13224
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Diversity in infection specificity between the bloom-forming microalga Heterosigma akashiwo and its dsDNA Virus, Heterosigma akashiwo Virus. (2023)
  • Author(s): Funaoka, Y., Hiromoto1, H., Morimoto, D., Takahashi, M., Wada, K. and Nagasaki, K.
  • Journal Title: Microbes Environ. Volume: 38 Pages: ME23036
  • DOI: 10.1264/jsme2.ME23036
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Exploration of microorganisms potentially interacting with Heterosigma akashiwo in Osaka Bay based on co-occurrence analysis (2024)
  • Author(s): Chen, S., Imaura,Y., Yamamoto, K., Kamikawa, R. and Yoshida,T.
  • Organizer: 令和6年度日本水産学会春季大会
• [Presentation] Effects of viral infection for marine eukaryotic microalgae on prokaryotic community dynamics. (2023)
  • Author(s): Yoshida, T., Takebe, H., Hiromoto, H., Kitagawa, N., Watanabe, T., Yamamoto, K., Nagasaki, N., and Kamikawa, R.
  • Organizer: 11th Aquatic Virus Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ultiple viruses infecting a single cyanobacterial population dominating in Osaka Bay revealed by the multiple-omics analyses. (2023)
  • Author(s): Ashitani, T., Nishimon, K., Tominaga, K., Takebe, H., Fujiwara, K., Watanabe, T., Isozaki, T., Yamamoto, K., Kamikawa, R. and Yoshida, T.
  • Organizer: 11th Aquatic Virus Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analysis of virus-host interactions in Osaka Bay using MAG-based host prediction and virome method. (2023)
  • Author(s): Hamana, S., Nishimon, K., Yamamoto, K., Kamikawa, R. and Yoshida, T.
  • Organizer: 11th Aquatic Virus Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Intraspecific interactions between Heterosigma akashiwo and its virus HaV. (2023)
  • Author(s): Daichi Morimoto, Yusaku Funaoka, Haruna Hiromoto, Michiko Takahashi, Kei Wada, Keizo Nagasaki.
  • Organizer: 11th Aquatic Virus Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Possible molecular mechanism determining complicated intraspecific infection specificity of Heterosigma akashiwo virus. (2023)
  • Author(s): Funaoka Y, Morimoto D, Takahashi M, Wada K, Nagasaki K.
  • Organizer: 11th Aquatic Virus Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Complex relationship between a bloom-forming raphidophyte and its infectious virus. (2023)
  • Author(s): Keizo Nagasaki, Daichi Morimoto, Michiko Takahashi, Yusaku Funaoka, Haruna Hiromoto, Kei Wada.
  • Organizer: 5th Ringberg Symposium on Giant Virus Biology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Are Heterosigma akashiwo and its virus HaV fashionistas? -Clonal but Variable- (2023)
  • Author(s): Keizo Nagasaki, Daichi Morimoto, Michiko Takahashi, Yusaku Funaoka, Haruna Hiromoto, Kei Wada.
  • Organizer: The 20th International Conference on Harmful Algae
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 今まさに進化している「ウイルスの理解」微生物コンソーシアム (2023)
  • Author(s): 緒方博之
  • Organizer: 微生物コンソーシアム第8回全体会
  • Invited
• [Presentation] 海洋巨大ウイルスの生態と進化. (2023)
  • Author(s): 緒方博之
  • Organizer: OceanDNAテック2023
  • Invited
• [Presentation] 常識外れの巨大ウイルスの生態・進化 (2023)
  • Author(s): 緒方博之
  • Organizer: ウイルス学若手研究集会
  • Invited
• [Presentation] ハイパースペクトルカメラを用いたウイルス感染藻類細胞検出の試み (2023)
  • Author(s): 久保さやか, 武部紘明, 廣本春奈, 森本大地, 長崎慶三, 神川龍馬, 吉田天士
  • Organizer: 日本微生物生態学会 第36回大会
• [Presentation] ハプト藻類Pavlomulina ranunculiformis NIES-3900株の共存真正細菌の生理生態学的特性 (2023)
  • Author(s): 小出斎, 吉田天士, 神川龍馬
  • Organizer: 日本微生物生態学会 第36回大会
• [Presentation] 大阪湾に優占するピコ真核藻類の生理生態学的特性解明に向けたメタオミクス解析 (2023)
  • Author(s): 佐野奎志郎, 山本圭吾, 神川龍馬, 吉田天士
  • Organizer: 日本微生物生態学会 第36回大会
• [Presentation] 海洋ブルーム形成真核微細藻類Heterosigma akashiwoに感染するHaVの感染過程の解明 (2023)
  • Author(s): 武村拓海, 廣本春奈, 森本大地, 長崎慶三, 神川龍馬, 吉田天士
  • Organizer: 日本微生物生態学会 第36回大会
• [Presentation] 大阪湾に優占する古細菌系統Marine Group II Euryarchaeota の季節動態の解明 (2023)
  • Author(s): 光浪健太, 芦澤柊人, 山本圭吾, 神川龍馬, 吉田天士
  • Organizer: 日本微生物生態学会 第36回大会
• [Presentation] ハプト植物門ラピ藻綱に属する真核微細藻類の分布と環境要因との関係 (2023)
  • Author(s): 宮浦緋里, 神川龍馬, 吉田天士
  • Organizer: 日本微生物生態学会 第36回大会
• [Presentation] 大阪湾において周期的に出現する優占緑藻類の発見 (2023)
  • Author(s): 百合岡咲, 富永賢人, 山本圭吾, 神川龍馬, 吉田天士
  • Organizer: 日本微生物生態学会 第36回大会
• [Presentation] Exploring the diversity and dynamics of giant viruses in a deep lake through long-read metagenomics. (2023)
  • Author(s): Zhang L., Meng L., Fang Y., Ogata H., Okazaki Y.
  • Organizer: 日本微生物生態学会 第36回大会
• [Presentation] Towards understanding the potential host of giant viruses in mesopelagic layer. (2023)
  • Author(s): Liu W., Neches R.Y., Okazaki Y., Endo H., Ogata H.
  • Organizer: 日本微生物生態学会 第36回大会
• [Presentation] 赤潮原因ラフィド藻Heterosigma akashiwoのウイルス抵抗性. (2023)
  • Author(s): 廣本春奈, 森本大地, 船岳祐作, 高橋迪子, 長﨑慶三.
  • Organizer: 日本微生物生態学会 第36回大会
• [Presentation] 赤潮原因藻ヘテロシグマ・アカシオのウイルス抵抗性に関する研究 (2023)
  • Author(s): 森本大地, 船岳祐作, 廣本春奈, 高橋迪子, 和田啓, 長﨑慶三
  • Organizer: 第37回中国四国ウイルス研究会
• [Presentation] 赤潮原因藻感染性ウイルスHaVがもつ巨大タンパク質VP492と感染特異性の関係性に関する研究 (2023)
  • Author(s): 船岳祐作, 森本大地, 廣本春奈, 高橋迪子, 和田啓, 長﨑慶三
  • Organizer: 第37回中国四国ウイルス研究会
• [Presentation] A large gap between the presence and activity of microeukaryotes in a deep sea environment. (2023)
  • Author(s): Liu W., Neches R.Y., Okazaki Y., Endo H., Ogata H.
  • Organizer: OceanDNAテック2023
• [Remarks] 海洋分子微生物学研究室
  • URL: https://www.microbiology.marine.kais.kyoto-u.ac.jp/
• [Remarks] 緒方研究室
  • URL: https://cls.kuicr.kyoto-u.ac.jp/
• [Remarks] 水圏ウイルス研究室
  • URL: http://www.cc.kochi-u.ac.jp/~nagasaki/index.html