藻類 Jpn. J. Phycol. (Sôrui) 70: 1–12, March 10, 2022

総説

湖沼調査から新たなるブレークスルーを目指して
野崎 久義
東京大学大学院理学系研究科（〒 113-0033 東京都文京区本郷 7-3-1）
国立環境研究所生物多様性領域（〒 305-8506 茨城県つくば市小野川 16-2）
Hisayoshi Nozaki: Toward further breakthrough findings based on field-collections in large lakes. Jpn. J.
Phycol. (Sôrui) 70: 1–12, March 10, 2022
Colonial or multicellular volvocine green algae originating from large lakes sometimes represent
unique species that can be used as key organisms for resolving fundamental and important biologicalproblems in evolution of sex. Here I summarize and introduce our exciting findings in our studies
using colonial volvocine algal species collected from Lakes Sagami, Tsukui and Biwa, Japan. In 2006, wefound a new male-specific gene “OTOKOGI ” (PlestMID) (Pleodorina starrii minus dominance gene) frommale culture strains of the anisogamous colonial volvocine green alga P. starrii originating from Lakes
Sagami and Tsukui, Japan. The finding of this gene became a breakthrough for subsequent molecular/
genomic studies of the evolution of anisogamy/oogamy from isogamy focusing on MID homologs andtheir harbored sex-determining regions (SDRs) in the colonial volvocine algae. Furthermore, our fieldcollection works in Lake Biwa resolved existence of two closely related heterothallic and homothallic
species of Volvox. Three new genomes form male and female strains of the heterothallic Volvox
reticuliferus and a homothallic V. africanus strain, we resolved fates of male and female SDRs during
evolutionary transition from heterothallic to homothallic species. Very recently, based on our longterm field surveys in Lakes Sagami and Tsukui and cultural studies of P. starrii from these lakes, wedemonstrated that P. starrii actually has three sex phenotypes (male, female and bisexual) within a single
biological species, representing a new life cycle in haploid species and an initial stage of evolutionarytransition to a homothallic species. This interesting discovery in the haploid species will be the next
breakthrough for further genomic/genetic studies of the origin and evolution of homothallism.
Key Index Words: cultural studies, evolution of sex, field collection, heterothallism, homothallism, large lakes,
Pleodorina, sex-determining region (SDR), sex-specific genes, volvocine green algae, Volvox
Department of Biological Sciences, Graduate School of Science, The University of Tokyo, Bunkyo-ku,
Tokyo 113-0033, Japan
Biodiversity Division, National Institute for Environmental Studies, Tsukuba, Ibaraki 305-8506, Japan
Contact information: nozaki@bs.s.u-tokyo.ac.jp

はじめにい。1 回限りの採集ではその生物種の持つ本質的な特性は得

私は今から 40 年以上の昔，1977 年の学部 4 年生の時からられにくい。しかし，大型の湖沼は大体毎年同じ時期に同じた。また，これまでにセミナーや研究紹介では「世界の誰も湖沼には水田等では見られない様々な群体性 / 多細胞性のボ

群体性 / 多細胞性ボルボックス類の培養による研究をしてい使用していない材料を用いて，世界の誰もが認める多様性と生物種が得られ，継続的な研究が可能である。また，大型のルボックス類の種が生育する。従って，1999 年から始まっ

進化の研究を目指す」と言ってきたが，還暦を迎えた 2015

た大型湖沼の現地調査による我々の研究は「オス特異的遺伝うになった。元々は「培養をして生活環を回して色々なデー

Nozaki et al. 2006a, Nozaki 2008）を生み出したばかりではな

年あたりからようやくこの目標に近づきつつあると感じるよタで研究ができれば良い」と考えていたわけで，材料は持ち帰りと保存が便利である泥の材料（市村 1971）を手近な池や水田から集めて，それなりの材料が集められていた（野崎1986）。従って，わざわざ大型湖沼へ行って，宴会・宿泊もしないで「水サンプルから分離作業」をする気にはなれなかった。
このような研究姿勢を大きく変えたきっかけは 1999 年から始まった湖沼調査である（図 1）。水田などの小さな淡水環境では 2 回目に採集しても同じ生物が得られない場合が多子 “OTOKOGI” の発見」というブレークスルー（Kirk 2006,

く，継続された調査は新たなるブレークスルーを生み出している。

本報では以上の研究経過を紹介し，更なる展望を述べることにする。尚，2006 年までの群体性ボルボックス類の研究経過に関しては野崎（1986，1995），生活環と多細胞化の研究に関しては野崎（2019）を参照されたい。

2

野崎

図 1．緑藻ボルボックス系列の湖沼における現地調査．
（A）神奈川県相模湖の手漕ぎボートを利用した調査（2013 年 6 月 14 日）．
（B）日本の唯一の古代湖である琵琶湖（2017 年 7 月 6 日）．
（C）コロナ禍における相模湖での調査（2021 年 10 月 12 日）．プランクトンネットが緑色になるほど大量に Volvox rousseletii（Kimbara et al. 2019）が採集された．

相模湖・津久井湖の学部学生実習から始まった性進化研究のブレークスルー

でご当地ワシントン大学の David Kirk 博士（ボルボックスの分子遺伝学の専門家）に性遺伝子の共同研究を申し出て断ら緑藻類ボルボックス類を材料にした理由は培養条件下で生れたこともあったし（野崎 2010），そのころ当時の職場（東を研究できればと期待はしていた。4 細胞以上の多細胞性のク ト を 開 始 し（Matsuzaki et al. 2004, Nozaki et al. 2007），

呼び，単細胞性のクラミドモナスを含めて「ボルボックス系

忘れかけていた。

活環を研究できるからであったし，性（sex）に関する遺伝子

ボルボックス類は通常日本では「群体性ボルボックス類」と列」という。本系列は古くから多細胞化の研究に重要である

京大学）のボス（黒岩常祥博士）が紅藻類のゲノムプロジェ

PCR によるギャップ埋めを担当していたので「性の研究」は私の研究室は教員（助教授）1 名の零細ラボであったので，と紹介され（Weismann 1892, Huxley 1912），近年になって有1998 年までは東京大学理学部生物学科植物学コースの 4 年生

た（Bell 1985, Kirk 1998）。しかし，私が本生物群の研究を開

教務の先生から「野崎さんやってみては？」とお誘いがあっ

性生殖の進化を同時に研究できる生物群として注目されてい始した 1970–80 年代は本群内部の系統関係が不明であったの前期の実習は担当してはいなかった。ところが，1999 年度のた。大研究室が犇めく東京大学の植物学教室の中で実習をやで，葉緑体 5 遺伝子 6021 塩基対を用いた分子系統解析を実るには何か特徴のあることをする必要があると考えた。その

2000）
（図 2）
。系統関係の追跡も一応終わったので，性関連

クス類を採集し，研究室に持ち帰って培養株を確立し，形態

施し，ある程度の系統関係を得ることができた（Nozaki et al.

結果，他の研究室ではやっていない「現地調査してボルボッの遺伝子を研究しようと思い，ランダムプライマー等を用いと分子で同定する実習」を考えた。しかし，ボルボックス類て両性で異なる遺伝子等を探していたがうまく行かなかった。

も限られる。従って，現地に行っても出現していない場合もてゴニウム（Gonium）やユードリナ（Eudorina）を材料としまた，1999 年米国セントルイスで開催された国際植物学会議

は大型湖沼ではほぼ毎年同じ種が出現するが，出現する時期

多く，現地調査の結果「いなかった」では学生が興味を持っ湖沼調査から新たなるブレークスルー

3てくれない。また，東京大学本郷キャンパスから半日で行っ

配偶・卵生殖へ進化の原因は SDR の拡大と SDR における新件であった。そこで思い出したのが，神奈川県の相模川水系

2010，野崎 2010）。しかし，ボルボックス系列の有性生殖のて帰ってきて，夕方研究室で培養株の作成ができることが条の相模湖・津久井湖であった。1988 年 5 月に神奈川県の谷ケ原浄水場の斎藤昭二さんから「相模湖・津久井湖で発生する

規遺伝子の獲得と予想された（Charlesworth & Charlesworth

各進化段階の SDR が明らかになると，SDR 拡大と SDR 新規遺伝子の獲得は卵生殖のボルボックスの起源で急に起きた

ボルボックスの接合子」に関する問い合わせがあり，浄水場ことが予想された（Hamaji et al. 2018）（図 3）。また，異型を思い出した。早速浄水場に問い合わせると斎藤さんは若く

極めて小さく，性特異的遺伝子は OTOKOGI/MID だけであまで行ったところ大変丁寧な浄水場に関する説明を受けたのして故人となっていた。しかし，斎藤さんの仕事の後を引き継いだのが同浄水場の有井鈴江博士であり，その後 20 年以上の間，我々の実習や調査に非常に貴重な事前の現地情報を提配偶のユードリナ（Eudorina sp.）のオスの SDR は 70 kb とる（Hamaji et al. 2018）。ボルボックスの本遺伝子の精子（雄性配偶子）形成という機能がユードリナでも同じであれば，本遺伝子の同型配偶におけるマイナス交配型決定という機能

供してくれた。この実習に学生とともに参加するうちに，新（Ferris & Goodenough 1997）が精子（小さい配偶子）形成とれ，本種からオス特異的遺伝子 “OTOKOGI”（PlestMID）が1 遺伝子の機能進化）で同型配偶から異型配偶へ進化したと種 Pleodorina starrii Nozaki, F.D. Ott & A.W. Coleman が記載さ発見された（野崎 2008，2010）。

“OTOKOGI” は同型配偶のクラミドモナス（Chlamydomonas

reinhardtii P.A. Dangeard）の交配型マイナスを決定する転写型 minus dominance（MID）遺伝子のホモログであり，本遺伝子のプレオドリナのオスにおける発見はクラミドモナスの交配型マイナスがオスに進化し，交配型プラスがメスに進いう機能に進化したことだけ（即ち，OTOKOGI/MID という推察される。

琵琶湖のボルボックスからホモタリック種進化研究のブレークスルーを目指す

それでは巨大なボルボックスの SDR はどのような意味を持つのか？ 2010 年の時点では SDR は 20 種以上記載されてい化したという結論を導き出した（Nozaki et al. 2006a, Nozaki

るボルボックスの 1 種（V. carteri）の情報だけしかなかったの

ス・オスの進化的関係を遺伝子データで示したという生物学

SDR が明らかになったボルボックス系列の藻類（Hamaji et

2008）
（図 2）
。これは生物界で初めて同型配偶の交配型とメ的重要性を意味するだけではない。MID や “OTOKOGI” は片方の性（交配型）だけに存在する遺伝子であり，両性で遺で巨大な SDR の起源や進化は全く不明であった
（図 3）
。また，
al. 2018）は両性（メス・オス，
同型配偶の場合は交配型プラス・交配型マイナス）が遺伝的に異なるヘテロタリックのライフ伝子組成や配列が異なる部分「性決定領域」［sex-determining

サイクルをもつ種で，本系列に広く存在する同じ遺伝子型で日本語で「性染色体領域」という場合もある］に位置する遺ど不明であった。これら 2 個の進化生物学的問題を解くきっ

region（SDR）または同型配偶なので mating type locus（MT），

伝子であることは明らかである。すでに 2002 年にクラミドモ

ナスの約 200 kb の SDR は詳細に解明されており，MID は交両性の配偶子をつくるホモタリック種の進化の分子基盤は殆かけとなったのが 2013 年から開始した琵琶湖調査であった。

琵琶湖は日本最大の湖で，日本で唯一の古代湖として有名

配型マイナスの SDR に位置している（Ferris & Goodenoughである。本湖沼における水生植物や水産多細胞動物の研究が遺伝子組成が異なり組み替えが抑制されている SDR のような知られている（西野 2018）。しかし，我々が研究を開始する

1994, Ferris et al. 2002）。一方，理論的研究から両性で配列や領域に位置する遺伝子が同型配偶から異型配偶への進化の鍵

盛んに行われており，60 以上の固有種または種以下分類群が前はボルボックス系列の藻類の分子情報を用いた研究はほととなるという予測がなされていた（Charlesworth 1978）。従っ

んどなく，採集された材料の栄養群体（無性群体）の光学顕列における SDR 解明の糸口であり，同型配偶から異型配偶・

私は元々琵琶湖に関しては興味があったわけではない。して，“OTOKOGI” の発見は異型配偶の群体性ボルボックス系

微鏡の特徴から種が同定されていた（e.g. 玉・竹門 2008）。

卵生殖への進化の分子基盤を探る研究のブレークスルーにな

かし，色々な学会で琵琶湖の興味深い生物に関する講演を聞

プによる OTOKOGI/MID の研究が進展し，ボルボックス系列

うになった。我々の琵琶湖調査が具体的になった理由は 2005の両性の SDR がゲノム配列情報から明らかになり（Ferris etに近い立命館大学へ着任されたことであった。新幹線で琵琶ると期待された（Kirk 2006）。実際にその後日米の研究グルー
における同型配偶から異型配偶・卵生殖の各進化段階の生物

al. 2010, Hamaji et al. 2016, 2018），OTOKOGI/MID の 卵 生

殖ボルボックスにおける精子形成機能が遺伝子導入実験から証明された（Geng et al. 2014）。

いたりしてゆくうちに「琵琶湖のボルボックスは？」と思うよ
年に東大・理・野崎研に所属していた高橋文雄博士が琵琶湖湖に行って午前中から昼にかけて採集し，その日の夕方に東京本郷の研究室に戻って培養株を作成するというスケジュールであった。その中の琵琶湖での調査協力の了解を高橋博士

同型配偶のクラミドモナスの SDR は 200 kb 程度であり，から得た。琵琶湖調査は 2013 年から開始し，新型コロナの大な 1 Mb の SDR が明らかになったとき（Ferris et al. 2010），

ビギナーズ−ラックというか，最初の 2013 年に琵琶湖博物館

2010 年に卵生殖のボルボックス（Volvox carteri F. Stein）で巨Charlesworth (1978) の予測もあったので，同型配偶から異型

感染防止対策で 2020 年に中止するまで毎年初夏に実施した。

の駐車場に面する桟橋で採取した水サンプルから，これまで

4

野崎

図 2．緑藻ボルボックス系列の大まかな系統関係とオス特異的遺伝子 OTOKOGI（PlestMID）の発見（Nozaki et al. 2006b, Nozaki 2008）．生物界で初めて同型配偶の交配型とメス・オスの進化的関係が遺伝子データで明らかとなった．系統関係は葉緑体 5 遺伝子の配列（Nozaki et al. 2000,
Nozaki 2003）に基づく．最近発表された核遺伝子トランスクリプトームデータによる大規模解析（Lindsey et al. 2021）も Tetrabaena がこれらの外に位置する以外は基本的には本図と矛盾しない．

図 3．同型配偶のヤマギシエラ（Yamagishiella）の交配型プラスとマイナス株，異型配偶のユードリナ（Eudorina）のメスとオス株，合計 4 個の新規全ゲノムデータが明らかにした緑藻ボルボックス系列における性決定領域（SDR, MT）の進化（Hamaji et al. 2018）．ユードリナで縮小された SDR が明らかになり，SDR の拡大と同型配偶（isogamy）から異型配偶（anisogamy）への進化には直接的に関連しない．MT（matingtype locus）は同型配偶の交配型決定遺伝子座として使用される用語であり（Ferris & Goodenough 1994），ここでは SDR と同じである．図はHamaji et al. (2018) より一部改変して転載（permitted by the Creative Commons CC BY license）．

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湖沼調査から新たなるブレークスルー

日本では報告のなかった V. africanus G.S. West に同定される 2ていまして，その写真です。
」と答えてくれた。この親切な情

見学し，珍しそうなボルボックスの写真があったので，「これとも言える近縁 2 種を材料とすることができ研究は大きく転

朝あそこの桟橋から水を取って，ここでボルボックスを見せ

琵琶湖から採取されたボルボックスの 2 種は無性群体（多種が分離・培養された（図 4）。採集する前に琵琶湖博物館を報のお陰で，ホモタリックからヘテロタリックの進化の転換

どこで取れたのですか？」と尋ねた。博物館の方は親切に「毎換した。

Volvox reticuliferus

Male sexual
spheroid

Heterothallic mating systemMaleg

Asexualcycle(n)sperm (n)spInductionof sexg

Sexualcycle

sp

Culture strainof malegenotype

A

50 μm

B

Asexual spheroid (n)FemaleSexual
cycle

g

e

g

Culture strainof femalegenotype

C

50 μm

Inductionof sexVolvox africanusD

Femalee
50 μm sexual
spheroidegg (n)Male sexual
spheroid

Homothallic mating systemsperm
packetsperm (n) G

Inductionof sexg

50 μm

meiosis zygote (2n) fertillization

Asexual spheroid (n)Asexual
cycle
(n)

sperm
packetsp
sp 100 μm

fertillizationEg

100 μm

100 μmF

Asexual spheroid (n)Asexualcycle(n)Bisexual
spheroideeH

sp 100 μm

zygote (2n)egg (n) sperm (n)spermpacketmeiosis

図 4．琵琶湖産の 2 種のボルボックス（Volvox）．これら 2 種の無性群体は非常に類似している（A, C, E）．V. reticuliferus の有性生殖はヘテロタ
リックであり，異なる遺伝子型の培養株でそれぞれオス群体（male spheroid; B），メス群体（female spheroid; D）を形成する．V. africanus は同じ遺伝子型の培養株の中で，雌雄同体の両性群体（bisexual spheroid; H）とオス群体（G）の両方をつくるホモタリック種である（Nozaki
et al. 2015）．両種は非常に近縁でヘテロタリック種からホモタリック種への進化を探る比較生物学的研究に使用された（Yamamoto et al. 2017,
2021）．図は Yamamoto et al. (2021) より転載（permitted by the Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives License 4.0 (CCBY-NC-ND)）
．

6

野崎

細胞生物だが通常「群体」とよぶ）の形態では V. africanus

OTOKOGI/MID 等の遺伝子を獲得して，メスとオスの両方の

モタリック 種とヘ テロタリック 種 で あった（ 図 4）
。両 者られる。ボルボックス系列において OTOKOGI/MID は，異型に同定されるようであったが，有性生殖が大きく異なり，ホの有性生殖の形態と過去の文献を比較検討すると，ホモタ

リック種は日本新産 V. africanus，ヘテロタリック種は新種 V.

機能を備えるホモタリックが誕生したことを意味すると考え
配偶・卵生殖の生物のオスまたは同型配偶生物のマイナス交配型に必ず存在する遺伝子であり（Hamaji et al. 2018）（図

reticuliferus Nozaki と同定された（Nozaki et al. 2015）。これ

3），同型配偶の生物ではマイナス交配型を決定する（Ferris &4 タイプの有性生殖の 2 タイプに相当する。Starr (1971) のに OTOKOGI/MID 遺伝子を導入すると精子を形成するように

リック 3 タイプであり，テキサス大学のカルチャーコクレク

子が単独でメスの中でオスの機能を発現できることを示して

ら 2 種は Starr (1971) が世界各地から集めた “V. africanus” の“V. africanus” の 4 タイプはヘテロタリック 1 タイプとホモタション（UTEX-CCA）でしばらく保有されていたが（Starr &Zeikus 1993），ホモタリック 3 タイプは絶滅していた（Nozaki
et al. 2015）。

微細藻類では様々な系統でホモタリックとヘテロタリックの有性生殖が観察され，昔から興味深い問題として取り上げられてきた（市村 1973）。また，ボルボックス系列ではヘテ

Goodenough 1997）。一方，最近の研究から V. carteri のメスなることが明らかになっており（Geng et al. 2014），この遺伝いると考えられる。一方，メスの機能を決定する，またはメスに必須の遺伝子は知られていない（Hamaji et al. 2018）（図3）。したがって，V. africanus で明らかになったホモタリック
種におけるヘテロタリック祖先種のメスとオスの SDR の残存状態の差異は，メス機能とオス機能の発現機構の差異に関連する可能性を示唆する（図 5，6）
。すなわち，メスの巨大なロタリックからホモタリックへの有性生殖の進化が複数回起

SDR が総和としてボルボックスのメスの機能を担っている可

この進化の分子基盤はほとんど明らかになっていなかった。

Starr (1971) の “V. africanus” のホモタリックの 3 タイプはきていると解析されていた（Hanschen et al. 2018）。しかし，
琵琶湖のサンプルから確立されたこれらボルボックス 2 種は能性が考えられる。

単系統群を構成し，ヘテロタリックのタイプ（V. reticuliferus）

有性生殖の誘導も可能であったし，系統的に近縁でヘテロタと姉妹群となる（Coleman 1999, Nozaki et al. 2015）。従って，合と考えられた。従って，我々は両種の性進化の分子基盤のの後ホモタリックの系統で 3 タイプへの多様化が起きたと考リックからホモタリックへの進化の分子レベルの研究に好都重要な役割をもつと考えられた OTOKOGI/MID の比較解析（Yamamoto et al. 2017），更に両種 3 株の全ゲノム比較解析を実施してヘテロタリックからホモタリックへの転換に伴うSDR の進化を全生物界で初めて明らかにした（Yamamoto etal. 2021）。

ヘテロタリック種の V. reticuliferus の SDR は約 1 Mb と非ホモタリックへの進化は 1 回 “V. africanus” の祖先で起き，そえられる。琵琶湖から再発見されたホモタリックの 1 タイプの培養株で明らかになった巨大な SDLR や OTOKOGI/MID

クラスター（Yamamoto et al. 2021）（図 5）が他のホモタリッ

ク 2 タイプでどのようになっているかは非常に興味深い今後の問題である。

的遺伝子が 3 個，メスの SDR にはメス特異的遺伝子が 3 個

再び相模湖・津久井湖に戻り，新たなるブレークスルーを目指すに非常に類似した約 1 Mb の性決定類似領域（SDLR）が 1

湖・津久井湖の調査はほぼ毎年 2010 年あたりまでは行われ常に大きく，オスの SDR には OTOKOGI/MID 等のオス特異位置していた（図 5）。ホモタリック種 V. africanus でも SDR

職場の東京大学理学部生物学科の学部 4 年生を連れて相模個保持されており，SDR/SDLR 構成遺伝子の系統解析からていた。しかし，2011 年以降状況は大きく変わった。東日本が明らかになった（図 5）。一方，オスの SDR に由来するとた。これは偶然かもしれないが，これ以降ある程度人気があっ

は，SDLR 以外のゲノム上の離れた場所に存在していた（図た（回復したのは 2014 年度で 3 名の 4 年生の希望者があっ

SDLR は祖先ヘテロタリック種のメスの SDR に由来すること考えられる OTOKOGI/MID 等のオスの特性に重要な遺伝子

6）。また，ホモタリック種では OTOKOGI/MID が 5 個に縦列大震災が 2011 年 3 月に起き，世の中の情勢は大きく変わった理・野崎研への学部実習希望者と院試希望者が急に無くなった）。研究室は高齢化し，博士課程の学生がほとんどとなって重複してクラスターを形成するという非常に興味深い結果をしまった。このような情勢で若い学生をなんとか研究室に入Volvox reticuliferus が約 7 千 5 百万年前に分岐した V. carteri

実施している UTRIP（海外の学部学生が理学系研究科 5 専

得た（Yamamoto et al. 2021）（図 5）。

と同様に（Ferris et al. 2010）約 1 Mb と非常に大きな SDR

を性染色体上に保持していたことは，巨大な SDR がボルれて研究室を活気づけようとして思いついたのが，理学部で攻の研究室に 6 週間滞在し，インターンシップを行う夏季短期プログラム）への参画である。2013 年に最初の UTRIP 生

ボックスの有性生殖で大きな意義を持つことを示唆する（図がシンガポール国立大学からやってきて，琵琶湖・相模湖・

SDR が巨大なまま残存して SDLR となり，重要なオスの遺新規培養株を確立した。その結果が上述の琵琶湖の “Volvox

6）。さらに，ホモタリック種に進化しても祖先種のメスの伝子が SDLR ではない部分にバラバラに存在することは，祖先種のメス側の SDR を残存させたままオスの機能に重要な津久井湖の調査を実施した。私も学部学生と一緒に調査し，africanus” 2 種（Nozaki et al. 2015）と相模湖・津久井湖に生育するホモタリック種 Volvox sp. Sagami（Nozaki et al. 2016）

湖沼調査から新たなるブレークスルー

7

図 5．3 個の全ゲノム比較解析の結果明らかになった，ヘテロタリック種（V. reticulifeus）のメスとオスの性決定領域［SDR（MTF, MTM）］と非常に近縁なホモタリック種（V. africanus）の SDR 相同領域（SDLR）（Yamamoto et al. 2021）．SDR と SDLR は約 1 Mbp と巨大で，V. africanusの SDLR はメス由来の遺伝子をもち，オス由来の遺伝子は短い相同領域（short SDLR）に位置する．白抜けの遺伝子名は性特異的遺伝子またはこれに相同の遺伝子を表す．図は Yamamoto et al. (2021) より転載（permitted by the Creative Commons Attribution-NonCommercialNoDerivatives License 4.0 (CC BY-NC-ND)）．

図 6．卵生殖のボルボックスの大きな単系統群 Merrillosphaera 節における性決定領域［SDR（MTF, MTM）］とヘテロタリックからホモタリッ
クへの進化（male/female genetic integration）（Yamamoto et al. 2021）．本節の起源（ca. 75 MYA）で SDR の拡大が起き，現在まで維持されていることが考えられる．図は Yamamoto et al. (2021) より転載（permitted by the Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives
License 4.0 (CC BY-NC-ND)）
．

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野崎

の研究である。

2017 年にはアメリカのジョーンズホプキンス大学からのUTRIP 生を迎えた。研究室のメンバーとはすぐに打ち解け，（Takahashi et al. 2021）（図 7）。第二の問題は同種か別種かという問題であり，形態的種概念，分子系統学的種概念，更に生物学的種概念に基づき検討した。その結果，これらの株の調査では積極的にサンプル採集に挑む元気な学生であった。

間で形態・分子レベルの差異は認められなかった。また，メス・するのかなかなか決まらなかった。
「簡単な実験で結果の明瞭

交雑接合子形成と子孫の生存率はメス・オス株間で交配した

UTRIP 生は最後に研究発表をするのであるが，どんな研究をオス株と両性株の交雑実験を実施した結果，これらの株間のなものはないか」と考えた結果，思い出したのが 2013 年に当ものとほぼ同一という結果が得られた（図 8）。従って，両性立した Pleodorina starrii の 10 株であった。本種は“OTOKOGI”「オス」，「両性」という 3 種類の性表現型を持つ種であるこは大体終わっていたと思っていたが，新しい株は有性生殖が性型の株にはオス特異的遺伝子と考えられている OTOKOGI/時のシンガポールの UTRIP 生と一緒に相模湖を調査し，確を発見した記念すべき緑藻である。2013 年の時点では「研究活発なので何かに利用できる」と思い培養株だけは維持していた。10 株を窒素飢餓培地に入れて精子束が出るかどうか観察して，“OTOKOGI” のゲノム PCR でバンドの有無を確認することで簡単に形態と分子の両方のデータから雌雄が判別できる ― そのように考え UTRIP 生に実験を説明した。しばら

株はメス・オス株と同じ種 P. starrii であり，本種は「メス」，とが明らかになった（図 9）。さらに，遺伝子解析の結果，両MID が存在することが明らかになった。交雑実験による遺伝学的解析から，両性株は OTOKOGI が存在するオス型の SDRをもち，常染色体領域に存在する両性型決定因子（BF）の存在が示唆された（Takahashi et al. 2021）。このことは P. starriiの 3 種類の性表現型が 2 組の独立の遺伝子領域で決定される

くすると「先生，よくわかりません。見て下さい。
」と UTRIPことを示唆する（Roy 2021）（図 10）。

株に対してであった。単独で窒素飢餓にしたのに関わらず「接オシー（trioecy）と呼ばれ，陸上植物や無脊椎動物では稀に生と TA の院生から声がかかった。驚いたのは 10 株の中の 1
合子様休眠細胞」が形成されていた。このような単独で接合一つの種が 3 タイプの性表現を持つ交配システムはトリ

「メス」
，
「オス」
，
「両性」個体が共存する種が認められている子をつくるホモタリック（両性型）株の Pleodorina は 2007

（Ray 2021）。しかし，藻類や菌類のようなシンプルなハプロ

2017 年という年は私の定年まであと 3 年しかなく，興味深

リックの場合があり，前者は 2 種類の性表現型（メス，オス），はないと思っていた。ところが 2018 年 2 月に研究室を変わっろが，相模湖川水系の湖の長期フィールド調査と培養・交配

彼は両性型株の Pleodorina に興味を持ち見事修士論文を仕上加えて両性型の 3 番目の性表現型を持つことを明らかにした

年に津久井湖から採集されていたのを思い出した。

い両性型の Pleodorina を博士課程まで徹底的に研究する学生て 1 年間で修士論文を仕上げたいという学生が突然現れた。

イドの生物の有性生殖は種によってヘテロタリックとホモタ

後者は 1 種類の両性型の性表現型を持つとされていた。とこ

実験から，緑藻ボルボックス系列の P. starrii がメスとオスにげ，現在博士課程で研究を継続している。ここではその途中（Takahashi et al. 2021）。メス，オス，両性型の 3 個の性表現

2006 年に P. starrii を相模湖から新種記載し（Nozaki et al.

ンプルな性決定システムともつとされてきた藻類・菌類ではまでの成果を紹介したい。

2006b），本種のオス株からオス特異的遺伝子 “OTOKOGI” を発見（Nozaki et al. 2006a）した当時から，
本種はヘテロタリッが同一種に存在するトリオシーの交配システムを持つ種はシ初めての発見であり，3 種類の性表現型が 2 組の独立の遺伝子座により決定されているのは全生物界でこれまでに報告がク種であり，オス株とメス株しかないものと考えられていた。

ない（Roy 2021）。

型のクローン株の中でオスとメスの両方の配偶子を作る両性

クの種から両性型のホモタリックの種への進化的初期段階とところが同じ相模川水系の相模湖と津久井湖から同じ遺伝子

Pleodorina starrii はメスとオスが分かれているヘテロタリッ型と思われる Pleodorina の株がここ 10 年の間で 2 回得られも考えられる。3 個の性表現の SDR はどのようになっている

偶子が合体した接合子か」という問題である。ボルボックス

でメス群体とオス群体を分化するのか？オス型 SDR をもつも成するものがいる。相模湖に発生する Eudorina unicocca G.M.

予想されるヘテロタリック種からホモタリック種へ転換するていた。問題点は 2 個あった。第一は「休眠細胞は本当に配系列では時々有性生殖しないで休眠細胞（aplanospore）を形Smith はその 1 例である（Yamada et al. 2008）。第二は両性のか？両性型では同じ遺伝子型でどのような分子メカニズムのを両性型にする決定因子 BF は常染色体領域に存在すると進化の鍵遺伝子であり，一体どのような遺伝子か？次のブレー型と 2006 年に記載されたオス株・メス株からなる P. starrii がクスルーへの展望は色々考えられる。従って今後，本種の 3似して同種と同定されるものの中に遺伝的分化と生殖的隔離学的研究が期待される。また，他の種にも P. starrii のようにる（e.g. Coleman 1959, 1977）。

とが十分考えられる。従って，他種における長期間の同様の同じ種かどうかという問題である。微細藻類では形態的に類があり，複数の生物学的種から構成されているものが沢山あ第一の問題は培養材料を窒素飢餓培地で性誘導し，DAPIによる蛍光染色でメス配偶子内へのオス配偶子核の侵入が観 察され，同 一 株内での雌 雄 配 偶 子の接 合 が 確 認された個の性表現型の分子遺伝学的基盤の解明のためのゲノム生物

3 個の性表現を持つ微細藻類が自然界には実際に存在するこ
継続的研究が期待される。

湖沼調査から新たなるブレークスルー

9

図 7．相模湖産のプレオドリナ（Pleodorina）の両性型株の無性群体と有性生殖（Takahashi et al. 2021）．
（A）無性群体．これまで本湖沼から報告されていたメスまたはオスの Pleodorina starrii の単性型株（Nozaki et al. 2006a）と差異は認められず，群体の前方部に小さな非生殖細胞（矢印）をもつ．スケールバーは 50 μm．
（B–H）有性生殖．窒素飢餓培地で培養すると単独株中で雌雄の配偶子を形成し，接合が完了する．スケール
バーは 50 μm（B–D），10 μm（E, H），5 μm（F, G）．
（B）オス群体．生殖細胞がオス配偶子（精子）の集合体である精子束に分化している．矢印は非生殖細胞．
（C）メス群体とオス群体から飛び出した精子束（矢尻）．メス群体は生殖細胞がメス配偶子に分化している．矢印は非生殖細胞．
（D）メス群体に到達した精子束は分離して単一のオス配偶子（矢尻）となりメス群体内に突入する．矢印はメス群体の非生殖細胞．
（E）精子束．
（F）単一のオス配偶子．矢尻は核を示す．
（G）DAPI による蛍光染色により，オス配偶子の核（矢尻）は強く染色される．
（H）DAPI による蛍光染色でメス配偶子内へのオス配偶子核（矢尻）の侵入が観察され，同一株内での雌雄配偶子の接合が確認された．写真は Takahashi et al. (2021) から転用，写真の配列と文字・記号を高橋昂平氏が改変（permitted by the Creative Commons Attribution-NonCommercial License (CC BY-NC 4.0)）．

図 8．相模湖産のプレオドリナ（Pleodorina starrii）の単性型メス・オス株（unisexual male/female）と両性型株（bisexual）の交雑実験（Takahashi
et al. 2021）．全てのスケールバーは 50 μm．単性型オス株と両性型株から分離したメス群体との交雑（A）と単性型メス株と両性型株から分離したオス群体との交雑（B）．どちらも単性型オスとメスを交配させた場合と同じように接合子が形成される．この接合子から得た F1 群体の生存率も単性型オスとメスを交配させた場合と同様に 80% 程度であり，両者に生殖的隔離はない．
（C, D）両性型株からオス群体だけ（C），
またはメス群体だけ（D）分離して培養しても接合子はできないので，交雑実験（A, B）で両性型同士の接合子が形成されないのがわかる．
Takahashi et al. (2021) から転載（permitted by the Creative Commons Attribution-NonCommercial License (CC BY-NC 4.0)）
．

10

野崎

図 9．長期間にわたる相模川水系の湖沼現地調査と培養実験から明らかになった 3 タイプの性表現型［単性型オス（unisexual male），単性型メス（unisexual
female），両性型（bisexual）］を持つ群体性ボルボックス系列の 1 種 Pleodorina starrii の推定される生活環．いずれのタイプも栄養増殖条件下ではハプロイド（n）で無性生殖（asexual cycle）で増殖する．窒素飢餓等による性誘導（sexual induction）すると，単性型オスは生殖細胞がオス配偶子（male gamete, mg）の集合体である精子束（sperm packet, sp）に分化したオス群体（male colony）のみ，単性型メスは生殖細胞がメス配偶子（female gamete, fg）に分化したメス群体（female colony）のみを形成する．一方，両性型は性誘導するとオスとメス両群体を形成する．単性
型または両性型のオス群体から飛び出した精子束は，単性型または両性型のメス群体に泳いで到達後単一のオス配偶子に分かれてメス群体内部のメス配偶子と接合（syngamy）し，ディプロイド（2n）の接合子（zygote）を形成する．接合子からは交配の組み合わせによって異なる割合で 3 タイプのいずれかに発達する．Takahashi et al. (2021) から転載（permitted by
the Creative Commons Attribution-NonCommercial
License (CC BY-NC 4.0)）．

図 10．Pleodorina starrii（図 9）の交配実験による遺伝学的解析結果から予想される遺伝子型（上段枠内）と性表現型（下段）．本種の 3 タイプの性表現型［単性型オス（unisexual male），単性型メス（unisexual female），両性型（bisexual）］は常染色体領域（灰色）に存在する両性型決定因子（BF）と “OTOKOGI” が位置する性決定領域［SDR（オス MTM またはメス MTF）
］で決定される．2 組の独立の遺伝子座から 3 個の性表現型が決定されるトリオシー（trioecy）の種は陸上植物や無脊椎動物を考慮してもこれまでに報告がない（Roy 2021）．Takahashi et al. (2021)から転載（permitted by the Creative Commons Attribution-NonCommercial License (CC BY-NC 4.0)）．

湖沼調査から新たなるブレークスルー

さいごに

平日に都心を抜け出して電車・新幹線に乗り，別世界とも思える湖に訪れる。ボートにも乗れる。これが以上の研究の研究上の興味以外の大きなモチベーションであり，採集するものをあまり期待しなくても長年調査が継続できた理由でもある。その結果，思いがけない発見があり，藻類研究が大きく発展した。このような研究態度に飽きもしないで研究協力をしてくださった現地の方々，共同研究者に感謝したい。プ

レオドリナの種小名は私が若いころいつも優しく応援してくれたテキサス大学の Richard Starr 博士（1924–1989）に献名したものである（Nozaki et al. 2006b）。本稿で紹介したように本種から 2 個の大発見があったのは Starr 博士の草葉の陰からの応援によるものかもしれないと思っている。ここに厚く御礼申しあげたい。

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通信担当編集委員：芹澤（松山）和世