藻類 Jpn. J. Phycol. (Sôrui) 68: 85-90, July 10, 2020

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緑色渦鞭毛藻にみられる新たな痕跡核と宿主・葉緑体系統の対立
高橋 和也
はじめに

食した藻類の葉緑体を一時的に維持する盗葉緑体を行うもの

渦鞭毛藻は単細胞性または群体性の原生生物で，約 2,000もあるが，Lepidodinium 属藻類では宿主核の安定した支配数が従属栄養性の種であり，光合成性種は水圏の一次生産者

緑体を除いてほぼ縮退・喪失しており，宿主との統合段階は種が記載される巨大な藻群である。約半数が光合成性，約半として重要な役割を担う。典型的な光合成性の渦鞭毛藻は，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下で葉緑体の成長や分裂が起こり，共生藻の細胞小器官は葉極めて高い（恒久葉緑体；Waller & Koreny 2017）。渦鞭毛藻のペリディニン型葉緑体は紅藻（または紅藻を取込んだ藻体（ペリディニン型葉緑体）をもつ。一方，種によってはこ類）の取込みに起源すると考えられているが，この紅藻由来の葉緑体を失い，別の藻類を細胞内共生させることで葉緑葉緑体から緑藻由来葉緑体への置換に成功したのは，これま体を獲得した（葉緑体を置換した）ものもある。渦鞭毛藻ので Lepidodinium 属渦鞭毛藻のみと考えられてきた（Minge。葉（Moestrup & Daugbjerg 2007, Daugbjerg et al. 2013）

プト藻を取込んだカレニア科藻類や，クリプト藻を取込んだ

縁な従属栄養性のアルベオラータ群は，過去にペリディニン

藻類（= Dinotoms）などもあるが，これらの共生体がもつ葉緑体はペリディニン型以外に 8 つのタイプが知られている
緑体置換は渦鞭毛藻特有の現象であり，例えば渦鞭毛藻に近型の祖先型となる葉緑体を保有していたと考えられているが，et al. 2010）。葉緑体を置換した他の渦鞭毛藻をみると，ハ
Dinophysis spp.，珪藻を取込んだクリプトペリディニウム科

葉緑体はいずれも紅藻由来である（Moestrup & Daugbjerg

で行われてきた（Schnepf & Elbrächter 1999, Hackett et al.

2007, Waller & Koreny 2017）。
Lepidodinium 属 藻 類 の 細 胞 形 態 は 無 殻 渦 鞭 毛 藻
Gymnodinium 属 に 似 て お り， 実 際 に Lepidodinium
chlorophorum は当初 Gymnodinium 属の一員として扱われていた（Elbrächter & Schnepf 1996）。Gymnodinium 属は古典

毛藻（以下緑色渦鞭毛藻）について，最新の知見を紹介する。

されたが，近年の分子系統解析から，同属に所属されてきた別系統の葉緑体を再獲得した例は報告されていない。共生と葉緑体置換を頻繁に繰り返す渦鞭毛藻は，葉緑体がどのように獲得されるのかを知る有用な参考材料として，これまで微細構造観察や分子系統解析，ゲノム比較などの研究が多方面

2004 など）。本稿ではその中でも緑藻型の葉緑体をもつ渦鞭Lepidodinium 属藻類と未記載 2 株

変 わ り 者 だ ら け の 渦 鞭 毛 藻 で あ る が， そ の 中 で も的に横溝が細胞の中央付近にある無殻のグループとして記載

種は複数の系統にまたがって分布することが指摘されていた。

Daugbjerg et al. (2000) は，核コード 28S rDNA 部分配列に基づく無殻渦鞭毛藻の分子系統解析から，Gymnodinium 属のLepidodinium 属藻類は文字通り異彩を放っている。同藻は緑タイプ種 Gymnodinium fuscum を含む狭義の Gymnodinium

素であるクロロフィル b を含み，ペリディニンを欠く（Zapata

も Nematodinium 属 や Polykrikos 属など 数 属を含 むが，科藻の取込に由来する葉緑体をもち，緑藻に特徴的な光合成色

et al. 2012, Waller & Koreny 2017）。渦鞭毛藻の中には，捕属系統群を報告した。この系統群は Gymnodinium 属以外にや目などの上位分類群は未だ適用されていない。一部例外もあるが，この系統群には走査型電子顕微鏡観察（SEM）下で馬蹄形の溝状の細胞上端構造（apical structure complex）
が，透過型電子顕 微 鏡 観 察（TEM）下で 核膜の膜間隙に小 胞（nuclear chamber） が，鞭 毛 装 置 と 核 を 繋 ぐ 繊 維 構造（nuclear connective） が み ら れ る など の 共 通 点 が あ る。Lepidodinium 属には L. viride と L.
（Daugbjerg et al. 2000）

chlorophorum が所属するが，両種の電子顕微鏡観察で狭義の Gymnodinium 属系統群がもつ上記 3 つの特徴が確認され，さらに 28S rDNA の分子系統解析もこの系統群への類縁を。
支持した（Hansen & Moestrup 2005, Hansen et al. 2007）
狭義の Gymnodinium 属系統群はペリディニン型葉緑体をもつ光 合 成 性 種（G. aureolum，G. catenatum，Wangodinium
図 1. 緑 色 渦 鞭 毛 藻 の 光 学 顕 微 鏡 写 真． ス ケ ー ル バ ー は 5 µm．A,

Lepidodinium chlorophorum．B, TGD 株．C, MGD 株．

sinense など）を多数含んでいるため，ペリディニン型葉緑体から緑藻型葉緑体への置換は，この系統群の内部で起こった

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緑藻の痕跡核TGD 株と MGD 株を TEM で観察すると，両者は共に 4枚の葉緑体包膜をもっており，外側 2 枚と内側 2 枚の間には。こ
葉緑体周縁区画が観察された（図 2；Sarai et al. 2020）の区画には 2 枚の膜で囲まれる核様構造と無数のリボソー

ムが観察され，ミトコンドリアは含まれない。これらの特徴

は，先行研究で観察された Lepidodinium 属藻類の微細構造と 一 致 す る（Watanabe et al. 1987，Elbrächter & Schnepf

1996）。我々は，TGD 株と MGD 株にみられた核様構造が取込まれた緑藻の痕跡核である複数の証拠を得ることができた。渦鞭毛藻の核はヒトゲノムのおよそ 1 ～（Sarai et al. 2020）

80 倍もの巨大なゲノムをもつため（Lin 2011），DNA 蛍光観察を行うと強い宿主核のシグナルが他の細胞小器官の像をかき消してしまう。これを防ぐために渦鞭毛藻細胞から葉緑体を分離し，SYBR Green 法を用いて DNA 局在を観察した。

図 2. 緑色渦鞭毛藻の宿主核と葉緑体，痕跡核の関係．葉緑体関連タンパ
ク質は，宿主核を含む細胞質区画からは 4 枚包膜を通過し，痕跡核を含む葉緑体周縁区画からは 2 枚包膜を通過して輸送される．宿主核は祖先から垂直伝播した遺伝子を含むほか，共生体または他生物からの水平伝播に起因する遺伝子をもつ．SL, spliced leader; SP, signal peptide; TP,

その結果，TEM で核様構造が観察された葉緑体側部に球状の緑色蛍光が観察された。一般に葉緑体やミトコンドリアを含む細胞内共生由来のゲノムは，宿主核に比べてゲノム中のグアニン（G）とシトシン（C）の含有量が低いことが知られている（Smith 2009, McCutcheon & Moran 2011, Tanifuji

al. 2018）。

& Archibald 2014, Tanifuji & Onodera 2017）。TGD 株 とMGD 株のトランスクリプトーム解析を行い，各転写産物の第一と第三コドンの GC％の割合を調べて二次元上にプロッ
トすると，GC ％が高い産物と低い産物の 2 群が得られた。これらのうち GC％が低い群の配列を相（Sarai et al. 2020）

培 養 株 TGD 株 と MGD 株 の 確 立 に 成 功 し た（Sarai et al.

あることが示唆された。緑藻を含む一次植物では，核コード

transit peptide.

ことになる（Hansen et al. 2000, Zapata et al. 2012, Luo et
我々は最近，緑色葉緑体をもつ未記載の無殻渦鞭毛藻の2020 ）。Lepidodinium chlorophorum と TGD 株，MGD
株 は 細 胞 形 態 が 異 な る（ 図 1A–C）。L. chlorophorum（ 図1A）の細胞は丸く，葉緑体はよく分枝している。TGD 株（図 1B）の細胞は楕円形で，横溝は中央よりやや上方に位置
し，葉緑体は葉状であった。MGD 株（図 1C）の細胞は紡同性検索すると，ほとんどの転写産物が緑藻由来の遺伝子での葉緑体関連タンパク質の N 末端側には，輸送シグナルとして機能する transit peptide（TP）配列があり，細胞質から葉。一方，緑体へタンパク質が輸送されている（Bolte et al. 2009）

渦鞭毛藻では，葉緑体関連タンパク質は N 末端側に signal

peptide（SP）配列と TP 様配列の二部からなる配列をもち，錘形で，横溝は中央またはやや下方に位置し，葉緑体はリボ

小胞体またはゴルジ体輸送を介して葉緑体へタンパク質が輸果，TGD 株と MGD 株はクロロフィル b を主要な光合成色関連タンパク質を見ると，GC％が低い群の N 末端配列長は栄養的に増殖していることから，葉緑体は恒久的に維持され。これらの結果から，TGD 株と唆された（Sarai et al. 2020）

塩基配列，および複数のタンパク質のアミノ酸配列に基づくにあり，一部の葉緑体関連タンパク質は葉緑体周辺区画で翻確な類縁関係はみられず，Lepidodinium 属藻類を含む狭義

れることが示唆された（図 2）。

コード 16S rDNA の解析では，両株の葉緑体が緑藻由来であンパク質の中には，GC ％が異なる 2 つの遺伝子にコードさベントを意味するかは後に考察するが，TGD 株と MGD 株，

無に加え，渦鞭毛藻の核からの転写産物に特徴的な 5'- 末端ン状であった。高速液体クロマトグラフィー（HPLC）の結素としペリディニンを欠いていた。両株とも 90 ヶ月以上独立ることが分かる。宿主核コード 18S rDNA や 28S rDNA の宿主渦鞭毛藻の系統をみると，TGD 株と MGD 株の間に明の Gymnodinium 属系統群とも類縁を示さなかった。葉緑体ることが確かめられた。このような結果がどのような進化イ

Lepidodinium 属藻類のばらばらな系統関係から，渦鞭毛藻の中で 1 度だけ緑藻型葉緑体の獲得が起こったという従来の考え方は再考を迫られることとなった。

。TGD 株と MGD 株の葉緑体送される（Bolte et al. 2009）

GC％が高い群に比べて有意に短く，SP 配列を欠くことが示

MGD 株の GC％が低い緑藻由来の遺伝子は痕跡核のゲノム

訳され，小胞体やゴルジ体を介すことなく葉緑体内へ輸送さ

TGD 株と MGD 株で見つかった緑藻由来の光合成関連タ

。SP 配列の有れているものもみつかった（Sarai et al. 2020）の spliced leader（SL）配列の有無を確認することで，転写産物が宿主核と痕跡核のどちらに由来するかを調べた。その結果，TGD 株で PetC は宿主核と痕跡核の両方にコードされており，MGD 株では PsbO と RbcS が宿主核と痕跡核の両87

図 3. 緑色渦鞭毛藻（Lepidodinium chlorophorum, TGD 株 , MGD 株）の系統．
（左）宿主核コード 18S と 5.8S，
28S rDNA の連結系統樹．
（右）
葉緑体コー
ド 16S rDNA に基づく系統樹．

方にコードされていることが分かった。分子系統解析により，2020）。3 藻の宿主と葉緑体の系統関係を図 3 に示す。この

GC％の異なる 2 遺伝子が同一起源であることが示されたこと関係を最も単純に説明するには，宿主系統の異なる緑色渦鞭と転移している途中段階を示していると考えられる。

。
藻型葉緑体が 3 度生じたと考えれば良い（Sarai et al. 2020）から，これらの遺伝子は緑色渦鞭毛藻の痕跡核から宿主核へ藻類を広くみると，紅藻由来葉緑体をもつクリプト藻と，毛藻にごく近縁なペディノ藻が別個に取込まれることで，緑ある特定の藻類が様々な宿主生物と共生関係をもつことはあ緑藻由来葉緑体をもつクロララクニオン藻の 2 藻のみで，そり，例えば緑藻の Chlorella 属藻類やクリプト藻の Teleaulax/

ト藻の葉緑体周縁区画にある痕跡核が初めて TEM 観察され告されている（Reisser 1992, Yih et al. 2004, Minnhagen &，この痕跡いう言葉は Greenwood et al. 1977 で用いられた）ノ藻が存在したとしても，そう何度も緑藻型葉緑体が確立されぞれの共生藻に由来する痕跡核がみつかっていた。クリプ

たのは 1974 年であり（Greenwood 1974；ヌクレオモルフと核に DNA が含まれるとされたのは 1985 年である（Ludwig& Gibbs 1985）。クロララクニオン藻でも同様の証拠が得られたのはその 4 年後である（Ludwig & Gibbs 1989）。しかしそれ以降，類似の痕跡核をもつ新たな真核藻類は過去 30
年間発見されてこなかった。TGD 株と MGD 株がもつ痕跡

核は，渦鞭毛藻が緑藻型葉緑体を獲得することにより生じた，第三，第四の痕跡核となる。

なぜペディノ藻？

Geminigera 属藻類などは，系統的に多様な宿主生物から報Janson 2006, Park et al. 2013）。しかし，共生特化のペディれるだろうか。

渦鞭毛藻とペディノ藻の共生関係として，Protoeuglena

noctilucae（= Pedinomonas noctilucae）を共生させる夜光虫
Noctiluca scintillans の例がある（Furuya et al. 2006）。最大
2 mm ほどの大きさにもなる夜光虫の液胞内には，何千細胞もの P. noctilucae が鞭毛で遊泳しながら生活している。当然のことながら，最大細胞長が 50 µm 程度の Lepidodinium 属藻類や 16，17 µm 程度の TGD 株と MGD 株に，そのような巨大な液胞は物理的に存在できないため，緑色渦鞭毛藻とペディ

Lepidodinium chlorophorum で は 葉 緑 体 全 ゲ ノム が 決 定

ノ藻との共生初期段階が同様の状態であったとは考えにくい。

縁であることが示されている（Kamikawa et al. 2015）。奇れた（Wang et al. 2016）。ペディノ藻鋼はペディノモナス目

されており，その遺伝子は緑藻の一部であるペディノ藻に近妙 なことに，葉 緑 体 コ ード 16S rDNA 及 び 痕 跡 核 コ ード
18S rDNA の 分 子 系 統 解 析 で は，TGD 株 と MGD 株，L.
chlorophorum はペディノ藻の中で高い支持で単系統群を形成
し，葉緑体は互いに近縁であることが示された（Sarai et al.

近年，夜光虫に共生する P. noctilucae の系統的位置が決定さとマルスピオモナス目の 2 目からなり，L. chlorophorum や

TGD 株と MGD 株の葉緑体は前者に，P. noctilucae は後者に含まれるため，夜光虫のペディノ藻共生は緑色渦鞭毛藻の進化とは独立に起こったと考えられる。しかし，ペディノ藻88

うなキメラ核は葉緑体を置換した渦鞭毛藻特有のもので，ほぼ VI-type のみで構成されるペリディニン型渦鞭毛藻とは明確に区別される。TGD 株と MGD 株のヘム（Heme）とクロ，イソペンテニル二リン酸（IPP）代謝関
ロフィル a（Chl a）
連酵素の発現解析の結果，両株共に上述 3 タイプの遺伝子が検出されたが，その混成パターンはここでも L. chlorophorumによく類似していた（Sarai et al. 2020）。緑色渦鞭毛藻の核

コード葉緑体関連遺伝子の起源を図 4 に示す。Heme 合成系

では，EGT-type 遺伝子は TGD 株で１系統検出されたのみで，半数は VI-type，もう半数は LA-type または起源不明であった。IPP 合成系では LA-type または起源不明の遺伝子が見つかるが，調べられた酵素関連遺伝子は全て VI-type を含

む点は 3 つの緑色渦鞭毛藻で共通していた。Chl a 合成系では，Mg-protoporphyrin O-methyltransferase（MgPMT）遺伝子が EGT-type で共通していたが，その他の代謝酵素遺伝

子は LA-type が主要であった。また，これら LA-type 遺伝

子の分子系統解析を行うと，ある遺伝子ではユーグレナ藻の中で，ある遺伝子ではクロララクニオン藻の中で 3 つの緑色
図 4. 緑色渦鞭毛藻における，渦鞭毛藻核コード葉緑体関連酵素遺伝子の 起 源．Sarai et al.（2020） の Supplementary Figure 7 を も と に 作
図．四角形の数は見つかった遺伝子数を示す．酵素の略称は Sarai etal.（2020） を 参 照．EGT, endosymbiotic gene transfer; LA, laterally

渦鞭毛藻が単系統群となるなど，ホモログごとに単一起源を示す場合がほとんどであった（未発表）。詳細は割愛させて頂くが，もし 3 藻の宿主系統がばらばらでなければ，葉緑体はacquired; VI, vertically inherited.

3 藻の共通祖先でただ 1 度獲得されたと考えたくなるほど，3が渦鞭毛藻に与えるメリットを考察する上で，夜光虫は参考

類似と，LA-type 遺伝子の系統関係はどう捉えたら良いだになるかもしれない。

進化の不可逆則という伝統的な考え方がある（Dolo 1893,

Gould 1970 など）。簡潔に言えば，ある形質について，それ藻の葉緑体関連遺伝子の組成は類似していた。

3 藻の宿主核にみられるこのような遺伝子混成パターンのろうか。少なくとも，単に近縁なペディノ藻を 3 度取り込む

のみではこうはならない。葉緑体を置換した渦鞭毛藻にみられる核ゲノムのキメラ化は，葉緑体が完全に固定される以前が複雑であるほど進化的に 2 度以上獲得されることはなく，1に，適した共生体を選別する過程で生じたとする shopping

仮にそのような進化が起こってしまうと，進化という概念に内に取り込み，遺伝子を核へ水平伝播させ，共生体の維持に基づいて生物多様性を理解することすら難しいだろう。この

効果的な遺伝子が核に固定されていった結果，得られた葉緑法則は，例えばある塩基配列のアデニンの部分が複数回チミ

体は複数の系統的起源をもつタンパク質で構成されるように度獲得されれば完全に元に戻ることもないというものである。

ンに置換されることや，アデニンからチミンへの置換後再びアデニンに置換されることがあるように，比較的単純な形質の進化には当てはまらない。しかし，葉緑体が系統的に異なる生物に制御されるようになるには，共生体の細胞小器官の縮退や喪失，葉緑体包膜数の追加，共生体や他生物から宿主

bag 仮説がある（Larkum et al. 2007）。様々な共生体を細胞なる。この葉緑体を，複数の店から得られた商品が混ざり合

うひとつの買い物袋になぞらえたことが名称の由来である。3つの緑色渦鞭毛藻の共通祖先で既に共生体の選別が始まっていたとは考えにくい。もしそうなら，共生体の選別は 3 藻がペリディニン型葉緑体をもっていた時代に行われたことにな

核への遺伝子水平伝播，複数の代謝経路の獲得や置き換えなるが，自前の葉緑体がありながら複数の藻類を共生させるほど，劇的な細胞の変化が必要である。これまでの常識で考えど，あるいはペリディニン型葉緑体と緑藻型葉緑体を同時にるならば，その過程は気が遠くなるほど複雑だろう。

もつほど器用な渦鞭毛藻は報告されたことがない（Matsuo &いたペリデ ィニン 型 葉 緑 体 に関 連 する遺 伝 子（vertically

個に共生体の選別を始めたなら，その時点から最終的なペディ

Lepidodinium chlorophorum の 核 に は， 祖 先 種 が も っ てinherited［VI］-type） の ほ か， 緑 藻 か ら 転 移 し た 遺 伝 子（endosymbiotic gene transfer［EGT］-type） と， 渦 鞭 毛
藻でも緑藻でもない生物から獲得された遺伝子（laterally

Inagaki 2018，Takahashi et al. 2019）。しかしもし 3 藻が別ノ藻由来の葉緑体の確立に至るまで，かなりの程度の平行進化を辿ったことになる。これら 3 藻の進化過程で，どのような制約が何種類あれば，この奇妙な葉緑体形質の一致がもた

acquired［LA］-type）の 3 つのタイプがあり，これらの発らされるだろうか。3 藻がもつ外来遺伝子がいつ（3 藻が分岐

。このよ
（図 2；Minge et al. 2010，Matsuo & Inagaki 2018）

類か），何回（1 ～ 3 回のどれか）獲得されたかについて，結現を組み合わせて緑藻型葉緑体を維持していると考えられる

する前か，分岐した後か），どこから（緑藻か，緑藻以外の藻89

論を出すのは難しい。

これまで紹介してきた，3 つの緑色渦鞭毛藻がもつ形質情報を押し並べて評価すると，宿主形質は渦鞭毛藻の中で 3 度ない。しかし，宿主系統の異なる緑色渦鞭毛藻が類似の緑藻型葉緑体をどのように獲得したかが明らかとなれば，二次植

物 5 群がもつ紅藻由来葉緑体の成立過程を知る上でも重要な

別個に進化したことを示す一方で，葉緑体形質は渦鞭毛藻の参考材料となるだろう。

り，緑色渦鞭毛藻の進化過程解明を困難にする主因となって

引用文献

中で 1 度のみ進化したことを示す。これは明らかな矛盾であいる。このような緑色渦鞭毛藻の形質状態を説明する新たな進化の仕組みの解明が待たれる。

今後の展望

クリプト藻とクロララクニオン藻はいずれも，痕跡核に 3本の染色体を含み，これらはほとんどが細胞の基本的な機能維持に必要な遺伝子（ハウスキーピング遺伝子）で構成され。しかしこれら 2 藻るなどの共通点がある（Archibald 2007）

では，宿主核へ転移した遺伝子は痕跡核からみつかることもなく，痕跡核の起源も漠然と紅藻，緑藻ということが分かる
のみで，現在に至る中間段階を現存種から見出すことはできない。それに対し緑色渦鞭毛藻の痕跡核はペディノ藻に由来することが分かっており，起源が比較的新しいのは利点である。緑色渦鞭毛藻の痕跡核は，クリプト藻とクロララクニオ
ン藻の痕跡核，およびペディノ藻核と比較することで，取込まれた真核藻類の核がどのように縮退・喪失し宿主細胞に統合されるのかを理解するための有用な研究材料となるだろう。
緑色渦鞭毛藻と緑藻型葉緑体の系統関係は，二次植物 5 群（クリプト藻，不等毛藻，ハプト藻，アピコンプレクサ類とペリディニン型の渦鞭毛藻）と紅藻由来の二次葉緑体の系統関係を想起させる。原生生物の系統に関する過去の研究は 5 群のばらばらな宿主関係を示し続けており，例えば近年ではハ
プト藻は有中心粒太陽虫に近縁であること，クリプト藻はアー
ケプラスチダに近縁であることなどが示されている（Burkiet al. 2016）。一方，複数の葉緑体遺伝子に基づく分子系統解
析では，5 群の二次葉緑体は共通の紅藻系統に起源すること，さらにこれらの葉緑体が示されており（Yoon et al. 2002）には紅藻含む他のどの藻類にもみられない共通の特徴もある。
すなわち，光合成色素クロロフィル c を含むことや，葉緑体機能の酵素グリセルアルデヒド -3- リン酸デヒドロゲナーゼ（GAPDH）は藍藻型のものから真核細胞質型に置き換わっていることなどが挙げられる（Harper & Keeling 2003）。これ

らの事実については解釈が分かれており，5 群の葉緑体がいつ（5 群が分岐する前か，分岐した後か），どこから（紅藻か，紅藻を取込んだ藻類か），何回（1 ～ 5 回のうちどれか）獲得

されたかについて，長年の論争が生じている（Cavalier-Smith

1999, 2018, Bodył 2005, 2018, Burki et al. 2016, Obornik
2019 など）。現在も多様な原生生物の形質情報が着実に蓄積しているが，この論争が決着しない大きな理由は，情報の不足よりむしろ，「宿主形質は複数起源を示すが，葉緑体形質は単一起源を示す」という情報の対立にある。もちろん，二次植物 5 群と紅藻由来葉緑体の関係と，3 つの緑色渦鞭毛藻と緑藻型葉緑体の関係は，同様の考え方で説明できるとは限ら

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（東京大学・アジア生物資源環境研究センター）