Microb. Resour. Syst. 40
June
（1）
：13
2024─ 25,
26, 2024

Vol. 40, No. 1

受賞総説

藻類の多様性研究とゲノム解析に基づく，
進化・生理・生態・環境分野への貢献（2023 年度日本微生物資源学会奨励賞受賞）

鈴木重勝
国立環境研究所生物多様性領域〒305-0086

茨城県つくば市小野川 16-2

Contributions to the fields of evolution, physiology, ecology and the environment
based on the study of algal diversity and genome analysis
Shigekatsu Suzuki
Biodiversity Division, National Institute for Environmental Studies
16-2 Onogawa, Tsukuba, Ibaraki 305-0086, Japan
はじめにの研究材料としての新たな側面を示した．NIES 株の

筆者は藻類のゲノム解析を専門としており，2016

ゲノム解析については，特に緑藻 Raphidocelis と珪藻

年 4 月より国立環境研究所微生物保存施設（MCC-

Mayamaea という生態毒性試験に標準的に使用されるNIES）にて，藻類培養株のゲノム解読や DNA バー

NIES 株のゲノム解析結果に加えて，新規光受容体をコーディング情報の収集に加えて，それらの関連研究

もつプラシノ藻 Pycnococcus のゲノム解析についてに携わってきた．MCC-NIES は国内最大の微細藻類

述べる．

専 門 カ ル チ ャ ーコレクションであり，その培 養 株（NIES 株）は世界各国の藻類カルチャーコレクション

藻類 DNA バーコーディングとカルチャーコレクショに匹敵する多様性を有している．藻類は，原核生物でンにおける重要性あるシアノバクテリアに加え，真核生物の多様な分類

藻類のなかでも，特に微細藻類は，分類に適した形群を含むグループである．筆者は，これまで研究のな態情報が乏しい種類を多く含んでいるために，現在でかで，さまざまなグループの藻類（シアノバクテリア，

は 18S rRNA 配列に代表される遺伝子情報を用いた緑藻，ストレプト植物，紅色植物，クロララクニオン

分子系統解析が分類学的研究や種同定のための必須

藻，クリプト藻，渦鞭毛藻，オクロ植物など）を研究

ツールとなっている．分子系統解析や種同定の信頼性材料として用いており，常日頃より藻類がもつ多様性を担保しているのが，種（＝培養株）と結び付けられの複雑さを身に染みて感じている．

た遺伝子情報，すなわち DNA バーコーディング情報

本稿では，これまで NIES 株を用いて行ってきた系である．NIES 株においても DNA バーコーディング

統分類・生理生態・進化研究から，特に DNA バー

情 報 の 整 備 が 進 め ら れ て お り， 現 在 の と こ ろ， 全

コーディングに基づく研究およびゲノム解析に基づく

NIES 株（公開株）の 55.7％に当たる 1,786 株におい研究について紹介したい．NIES 株の DNA バーコーて，少なくとも 1 種類の遺伝子情報が登録されておディングについては，ピコシアノバクテリアである

り，分子系統解析に利用可能である．世界でも多数のSynechococcus 近縁種の整理と分子マーカーの整備，

遺伝子情報が NCBI GenBank に登録・公開されておそしてクリプト藻株では DNA バーコーディング情報り，こうした情報を用いることで，既知種の分類学的と色素体ゲノム情報を用いた整理を行い，色素体進化

な整理も進められてきた．たとえば，ハプト藻やクリプト藻などでは，複相世代と単相世代が大きく異なる

E-mail: suzuki.shigekatsu@nies.go.jp

細胞形態を示すために，それぞれの世代が別種として
─ 13 ─

NIES 株のゲノム解析および DNA バーコーディング

鈴木重勝

記載されてきたが，DNA バーコーディング情報の蓄や普及は，特にシアノバクテリアのゲノム解析に大き積と分子系統解析の進展によりその矛盾が解消されつな影響を与えたことがわかる．実際，2013 年や 2018

つある（e.g., Hoef-Emden & Melkonian, 2003; Hagino

年には，シングルセル解析技術とショートリードシー

et al., 2013）．また環境サンプル中の遺伝子情報に基づ

ケンサーを用いて，一度に数 100 レベルのシアノバク

き，藻類やプロティストでは多くの実体不明種や未知テ リ ア ゲ ノ ム 配 列 が 登 録 さ れ た（Shih et al., 2013;

ク レ ー ド の 存 在 が 予 測 さ れ て い る． た と え ば，Berube et al., 2018）．一方，ショートリードシーケン“Rappemonads”は，2011 年に色素体 16S rRNA 配列

ス技術が，真核藻類のゲノム解析に与えた影響は限定を 用 い た 系 統 解析と，その配列をプローブと し た的であった．これは，シアノバクテリアゲノムと比べ

FISH により，色素体をもつ実体不明の新規系統として，真核藻類のゲノムは，多数のリピート配列が存在て認識されたグループである（Kim et al., 2011）．最するなどの構造的な複雑性が高いという特徴があり，近，カルチャーコレクションの培養株の DNA バー

一部のゲノムが小さな種を除き，ショートリードシー

コーディング情報や色素体ゲノム情報が整備されたこ

ケンサー単体だと解析が困難であったためである．たとがきっかけとなって，“Rappemonads”はハプト藻と え ば， こ れ ま で シ ー ケ ン ス さ れ た 藻 類 で 最大 のに含まれることがわかり，Pavlomulina ranunculifor-

3.7 Gbp の ゲ ノ ム を も つ Penium margaritaceum は，

mis として記載された（Kawachi et al., 2021）．現在，そのゲノム全配列の 90％以上がリピート配列で構成

世界中のカルチャーコレクションで培養株の DNAされている（Jiao et al., 2020）．しかしながら，2020 年

バーコーディング情報整備が進行しているが，これに代となり PacBio や Nanopore といったロングリード

より培養株の信頼性の担保のみならず，未知配列と実シーケンシング技術が普及することで状況が一変し，際の種を結び付けることも可能となり，実体不明の未真核藻類ゲノムの解読が加速度的に増加している．最知クレード究明に役立つことだろう．現在では遺伝子

近では藻類においても，ロングリードシーケンスや配列の取得は一般化されているために，実体としての

Hi-C 技術などを活用することで，「染色体レベル」の培養株の維持管理を担うカルチャーコレクションの役

ゲノム配列の報告が行われるようになった．シーケン

割は，今後より重要となっていくであろう．

ス技術の発展と一般化とは対象的に，遺伝子情報のアノテーションは現在でも技術的に困難な状況にある．

藻類ゲノムの解析状況

その結果として，アノテーション情報を欠いたまま登藻類ゲノムの解読状況について，その経緯と全世界録されるゲノム配列の割合が増加傾向にある（図 1）．

的な傾向について紹介しておく（図 1）．2010 年代に遺伝子情報の欠失は，blastx や blastp のようなタン始まる“次世代”シーケンス技術の急速な発展は，藻パク質配列情報を用いる相同性解析プログラムのデー類のゲノム解読に大きな貢献を及ぼしてきた．2010

タベースとして利用できなくなることを意味してお年代におけるショートリードシーケンサーの機能向上

り，ゲノム情報の存在価値を大きく損なう．特に非モ

図 1 Status of algal genome sequencing
The cumulative number of available genomes in NCBI GenBank are shown. (A)Cyanobacterial genomes. (B) Eukaryotic algal genomes. Blue and red lines represent all
assemblies and annotated assemblies, respectively.
─ 14 ─

Microb. Resour. Syst. June 2024

Vol. 40, No. 1

デル藻類のゲノム構造は複雑なことも多く，そのアノノバクテリアであり，外洋域における主要な一次生産

テーションに大きく 2 つのハードルがある．1 つはそ

者としても知られることから，主に外洋産の株についもそも遺伝子モデルの推定が難しい点である．非モデてその多様性研究が進められてきた．たとえば，大規模ル藻類では，たとえば動物や陸上植物のモデル生物やなシングルセル解析による集団レベルのゲノム多様性

その近縁種のように，遺伝子モデルの推定に公開されの解明（Kashtan et al., 2014; Berube et al., 2018）や，ている学習済みモデルが利用できないため，自身で種培養株を利用した全ゲノム情報と生息環境との関係性ごとにパラメータを学習し直し，遺伝子モデルの最適の解明（Doré et al., 2020; Chen et al., 2022）などであ化をする必要がある．さらに困難なことに，種によっる．さらに，海洋性の Synechococcus/Prochlorococcusては遺伝子がコードされる仕組み自体が異なるための系統関係を低コストで解像度良く推定できる分子に，既存の遺伝子モデル予測プログラムをそのまま利マーカーとして，petB 遺伝子配列の利用が提案され，用できないこともある．たとえば渦鞭毛藻では，エク配列の取得に利用できるユニバーサルプライマーが開ソ ン・ イ ン ト ロ ン 境 界 と し て GT-AG 以 外 に も発された（Mazard et al., 2012）．この分子マーカーを利GC-AG が用いられていることが知られている（Chen

用することで，本グループには 30 以上のサブグループ

et al., 2020）．また一部のアオサ藻では，一部の終止コが 存 在 す る こ と が 明 ら か と な っ た（Farrant et al.,ドンがグルタミンを指定することが報告されている

2016）
．

（Li et al., 2021）．2 つ目のハードルはアノテーション

一方，NIES 株には淡水・汽水域から採取された 50

情報の公的データベースへの登録である．真核藻類ゲ株を超える Synechococcus sp. 培養株が未同定のままノムにおいては，＞10,000 遺伝子を登録しなければな

保存されている．これらの株は日本各地の湖沼から採らず，登録時の独特なファイル形式にも習熟が必要で取されたものを中心に（Robertson et al., 2001），汽水ある．NIES 株においても着実にゲノム情報の蓄積が域や沿岸域の株も複数含んでいる．筆者らは，これら進められてきており（表 1），現在ではシアノバクテリの株の系統関係と分類を明らかにすることを目的に，

ア 72 株と真核藻類 47 株の全ゲノム配列が公開されて先行研究で開発されたユニバーサルプライマーを用いいる．NIES 株ゲノムの大きな特徴として，ほとんどて petB 遺伝子配列の取得を試みたが，淡水性や汽水のゲノム（96.6％）に遺伝子情報を含むアノテーショ

性の Synechococus の配列増幅は困難であることがわ

ンが付加されていることが挙げられる．

かった．そこで，公開されているゲノム配列を基に，現在，世界中で種レベルの全真核生物ゲノム解読プ

新たな petB のユニバーサールプライマーを開発し，ロジェクトが進められている（Lewin et al., 2022）．こそ の 特 異 性 や 増 幅 性 を 評 価 し た（Suzuki et al.,のようなゲノムプロジェクトにおいて，藻類やプロ2022c）．その結果，新規開発プライマーは，海洋性，

ティストが大きな障壁となりうる．特に単細胞性真核

汽水性，淡水性を問わず，Synechococcus/Prochloro-

藻類やプロティストには，難培養性種や培養困難種がcoccus 全体を高確率で増幅できたことから（図 2A），

多く含まれているが，培養せずにはシーケンスに十分

Synechococcus を対象とするメタ DNA バーコーディ

な DNA を調整できないという問題がある．さらに，

ング等の網羅的アンプリコン解析などへの活用が期待

藻類は，動物や陸上植物，菌類とは大きく異なり，無される．さらに，淡水性株や汽水性株においても petB

菌状態の試料を得るのが比較的困難であるという問題

配列を用いることで，16S rDNA を用いるよりも高いもある．NIES 株における無菌株の占める割合は 20％解像度で系統関係を明らかにできることが判明し，新にすぎないが（河地・鈴木，2023），現在，筆者が中心

たに 2 つの沿岸性新規系統群が存在することも明らかとなり新規無菌化手法の開発を進めており，各種ゲノになった．本研究により，MCC-NIES で維持される

ム解読プロジェクトにも大きく貢献できることが期待

56 株の未同定 Synechococcus sp. のうち，34 株についされる．

ては既存系統群への分類を行うことができたが，残りの 1/3 の Synechococcus sp. は所属不明ということとNIES 株の DNA バーコーディング

なり，淡水性 Synechococcus の潜在的な遺伝的多様性

1）ピ コ シ ア ノ バ ク テ リ ア Synechococcus の DNAを示す結果となった．こうした所属不明株の系統的位

バーコーディング

置の推定には，将来的には全ゲノムレベルの比較解析

互 い に 近 縁 で あ る Synechococcus と Prochlorococ-が必要かもしれない．

cus は，大きな多様性をもつピコプランクトン性のシア─ 15 ─

NIES 株のゲノム解析および DNA バーコーディング

表1
NIES strain No.
Cyanobacteria
NIES-23
NIES-25
NIES-30
NIES-37
NIES-39
NIES-44
NIES-73
NIES-80
NIES-81
NIES-87
NIES-88
NIES-98
NIES-102
NIES-204
NIES-208
NIES-267
NIES-298
NIES-592
NIES-593
NIES-806
NIES-843
NIES-905
NIES-932
NIES-970
NIES-981
NIES-1031
NIES-1211
NIES-1949
NIES-2087
NIES-2095
NIES-2098
NIES-2100
NIES-2101
NIES-2104
NIES-2107
NIES-2108
NIES-2109
NIES-2111
NIES-2119
NIES-2130
NIES-2133
NIES-2134
NIES-2135
NIES-2481
NIES-2549
NIES-2887
NIES-3275
NIES-3277
NIES-3585

鈴木重勝

List of NIES strains with whole genomes reported in publications# of proteinassembly# of scaffolds N50
codingCircularized
size/contigs
(kbp)
genes
(Mbp)

Taxonomic
group

Species nameCyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria

Anabaena variabilis
Desmonostoc sp.
Leptolyngbya sp.
Tolypothrix tenuis
Arthrospira platensis
Microcystis aeruginosa
Sphaerospermopsis kisseleviana
Dolichospermum hangangense
Aphanizomenon flos-aquae
Microcystis aeruginosa
Microcystis aeruginosa
Microcystis aeruginosa
Microcystis aeruginosa
Planktothrix agardhii
Oscillatoria rosea
Calothrix parasitica
Microcystis aeruginosa
Mastigocladus sp.
Hydrococcus rivularis
Dolichospermum compactum
Microcystis aeruginosa
Planktothrix agardhii
Raphidiopsis curvata
Synechococcus sp.
Cyanobium sp.
Chroogloeocystis siderophila
Microcystis aeruginosa
Sphaerospermopsis reniformis
Prochlorococcus marinus
Anabaena variabilis
Calothrix sp.
Calothrix sp.
Calothrix sp.
Leptolyngbya sp.
Nostoc carneum
Nostoc punctiforme
Nostoc sp.
Nostoc sp.
Phormidium ambiguum
Scytonema sp.
Thermosynechococcus elongatus
Thermosynechococcus vulcanus
Leptolyngbya boryana
Microcystis aeruginosa
Microcystis aeruginosa
Prochlorococcus sp.
Microchaete diplosiphon
Synechococcus leopoliensis
Nodularia sp.
─ 16 ─

7.5
4.9
5.8
9.4
6.8
4.6
5.6
5.2
5.9
4.9
5.3
5.0
5.9
5.1
4.1
9.5
5.0
5.6
5.1
5.2
5.8
5.5
3.4
3.1
3.0
5.0
4.7
6.0
1.7
7.1
8.9
10.0
10.0
6.4
9.4
9.2
7.5
7.9
7.4
9.8
2.6
2.6
7.2
4.4
4.3
2.4
10.1
2.7
5.8

NA
412
44
NA
NA
79
NA
NA
103
206
29
497
NA
NA
92
NA
NA
34
68
NA
NA
193
NA
NA
NA
43
264
680
NA
NA
NA
NA
243
5
NA
205
NA
NA
90
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
4

NA
42
214
NA
NA
96
NA
NA
1857
284
298
70
NA
NA
72
NA
NA
395
133
NA
NA
93
NA
NA
NA
262
50
20
NA
NA
NA
NA
69
5695
NA
192
NA
NA
196
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
NA
5483

6363
4700
5000
7299
6630
4790
5056
4719
NA
4355
4501
5140
5330
4492
3542
7484
4352
4512
4392
4719
6311
4925
3092
2943
3264
4270
4465
5408
1948
5706
7353
7916
8148
6712
7508
7,399
6424
6739
6149
8284
2452
2496
6746
4444
4290
2850
8047
2525
5048

yes
no
no
yes
yes
no
yes
yes
no
no
no
no
yes
yes
no
yes
yes
no
no
yes
yes
no
yes
yes
yes
no
no
no
yes
yes
yes
yes
no
no
yes
no
yes
yes
no
yes
yes
yes
yes
yes
yes
yes
yes
yes
no

Microb. Resour. Syst. June 2024

Vol. 40, No. 1

表1# of proteinassembly# of scaffolds N50
codingCircularized
size/contigs
(kbp)
genes
(Mbp)

NIES strain No.

Taxonomic
group

Species name

NIES-3708
NIES-3709
NIES-3754
NIES-3755
NIES-3756
NIES-3757
NIES-3787
NIES-3804
NIES-3806
NIES-3807
NIES-3840
NIES-3974
NIES-4074
NIES-4075
NIES-4101
NIES-4102
NIES-4103
NIES-4105
NIES-4106
NIES-4234
NIES-4285
NIES-4325
NIES-4383

Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria
Cyanobacteria

Geminocystis sp.
Geminocystis sp.
Mastigocladus sp.
Leptolyngbya sp.
Nostoc sp.
Stanieria sp.
Microcystis aeruginosa
Microcystis aeruginosa
Microcystis aeruginosa
Microcystis aeruginosa
Acaryochloris tomasi
Calothrix sp.
Cylindrospermum sp.
Tolypothrix sp.
Calothrix sp.
Pleurocapsa sp.
Nostoc sp.
Calothrix sp.
Pelatocladus sp.
Microcystis aeruginosa
Microcystis aeruginosa
Microcystis aeruginosa
Annamia dubia

NIES strain No.

Taxonomic
group

Species name

Eukaryota
NIES-35
NIES-67

Chlorophyta
Streptophyta

NIES-68

Streptophyta

NIES-144
NIES-296
NIES-571
NIES-1363
NIES-1699
NIES-1968
NIES-2152
NIES-2166
NIES-2202
NIES-2207
NIES-2212
NIES-2242
NIES-2285
NIES-2499
NIES-2565
NIES-2566

続き

4.0
4.4
5.8
6.8
7.0
5.5
4.4
4.5
4.5
4.4
5.9
6.0
7.7
8.3
7.6
5.0
8.6
12.0
7.3
8.5
5.3
3.9
4.0

NA
NA
NA
NA
NA
NA
214
238
235
228
72
NA
NA
66
NA
NA
NA
NA
NA
192
444
166
NA

NA
NA
NA
NA
NA
NA
73
46
67
46
226
NA
NA
782
NA
NA
NA
NA
NA
138
38
114
NA

3639
3937
4939
6635
5954
4917
4125
4225
4179
4065
5411
4821
6534
7372
6434
4394
6948
10918
6192
7034
4928
3613
3611

yes
yes
yes
yes
yes
yes
no
no
no
no
no
yes
yes
no
yes
yes
yes
yes
yes
no
no
no
yes

# of proteinassembly
Chromosome# of scaffolds N50
codingsize
level/contigs
(kbp)
genes
(Mbp)

Chlorophyta
Streptophyta

Raphidocelis subcapitata
Closterium peracerosumstrigosum-littorale complex
Closterium peracerosumstrigosum-littorale complex
Haematococcus lacustris
Mesostigma viride

Chlorophyta
Chlorophyta
Ochrophyta
Metamonada
Chlorophyta
Chlorophyta
Chlorophyta
Chlorophyta
Chlorophyta
Chlorophyta
Streptophyta
Chlorophyta
Ochrophyta
Chlorophyta

Tetrabaena socialis
Pleodorina starrii
Chrysophaeum taylorii
Kipferlia bialata
Parachlorella kessleri
Coccomyxa subellipsoidea
Chlamydomonas applanata
Chlamydomonas asymmetrica
Chlamydomonas debaryana
Chlamydomonas sphaeroides
Klebsormidium nitens
Chlamydomonas eustigma
Triparma laevis f. inornata
Unidentified pedinophyte─ 17 ─

51.2
362

300
2437

342
353

13383
25681

no
no

338.9

2527

276

24605

no

171.8
441.7

9693
2352

39
2559

135.8
134.8
70.7
51
59.2
48.8
78.5
141.9
120.4
122.2
103.9
66.6
42.6
27.9

5856
242
695
11563
3651
29
2533
4102
10139
6890
1812
519
902
32

28279
16232
(phycocosm)
146
14296
1065
14669
158
10674
11
17251
34
NA
1960
9915
106
NA
114
NA
27
NA
45
NA
135
16195
465
14112
83
13395
1233
7940

no
no
no
no
no
no
no
no
no
no
no
no
no
no
no
no

NIES 株のゲノム解析および DNA バーコーディング

鈴木重勝

表1

続き
# of proteinassembly
Chromosome# of scaffolds N50
codingsize
level/contigs
(kbp)
genes
(Mbp)

NIES strain No.

Taxonomic
group

Species name

NIES-2672
NIES-2863
NIES-2893
NIES-3699
NIES-3700
NIES-3701
NIES-3780
NIES-3785
NIES-3786
NIES-3808

Chlorophyta
Chlorophyta
Chlorophyta
Ochrophyta
Ochrophyta
Ochrophyta
Chlorophyta
Chlorophyta
Chlorophyta
Dinophyta

Micromonas commoda
Gonium pectorale
Pycnococcus provasolii
Triparma laevis f. longispina
Triparma verrucosa
Triparma strigata
Volvox africanus
Volvox reticuliferus
Volvox reticuliferus
Breviolum minutum

21
148.8
22.7
41.4
35.5
35.2
129.3
133.1
134
609.5

17
2373
43
1055
659
634
448
200
230
21899

NIES-3982
NIES-3983
NIES-3984
NIES-3985
NIES-4000
NIES-4017
NIES-4076

Chlorophyta
Chlorophyta
Chlorophyta
Chlorophyta
Chlorophyta
Chlorophyta
Dinophyta

Yamagishiella unicocca
Yamagishiella unicocca
Eudorina sp.
Eudorina sp.
Medakamo hakoo
Astrephomene gubernaculifera
Symbiodinium sp.

134.2
140.8
184
168.6
15.6
103.8
766.7

1461
1897
3180
2471
16
206
16176

NIES-4077

Dinophyta

Cladocopium sp.

703.7

6576

NIES-4239

Ochrophyta

Nitzschia putrida

47.1

234

NIES-4280
NIES-4390

Ochrophyta
Rhodophyta

30.6
12.1

NIES-4391

Chromerida

Mayamaea pseudoterrestris
Cyanidiococcus
yangmingshanensis
Chromera velia

NIES-4392
NIES-4468
NIES-4479
NIES-4481
NIES-4538
NIES-4550

Ochrophyta
Chlorophyta
Chlorophyta
Chlorophyta
Chlorophyta
Streptophyta

Phaeodactylum tricornutum
Volvox africanus
Pleodorina starrii
Pleodorina starrii
Trebouxia sp.
Closterium peracerosumstrigosum-littorale complex

NA
1267
NA
78
74
73
1357
1908
1867
125

41
20

10049
16290
11297
16002
14488
14364
12742
13306
13399
47014
(phycocosm)
666
NA
543
NA
564
NA
377
NA
NA
NA
1507
13724
134
69018
(OIST)249
65832(OIST)
546
13794(phycocosm)
1068
11019
NA
5185

no
yes

193.7

5963

58

no

27.5
141
136.1
135
69.3
975.2

33
129
95
288
677
1247

24133
(phycocosm)
NA
10392
3954
13455
3125
15644
833
14645
223
NA
2838
52529

yes
no
yes
no
no
no
no
no
no
no
no
no
no
no
yes
no
no
no
no

yes
no
no
no
no
no

2）クリプト藻の DNA バーコーディングと色素体のerbee, 1986），メルボルン大学に保管されていた Hill ら

進化の多数のクリプト藻正統株が散逸してしまったこと，

クリプト藻は，紅藻を色素体として獲得したグルーカルチャーコレクション内で複数の Rhodomonas 属正プである．多様な水環境に広く生息しており，低光量

統株間のクロスコンタミネーションが起きて混乱を招環境下でも増殖できることから，特に湖沼深部の主要いたことなどが理由となっている．MCC-NIES にもな一次生産者として生態的に重要である（Klaveness,

Rhodomonas 属の正統株に由来する株が保存されてい1988）．一方，クリプト藻の分類は混乱しており，整理るが，これらが真に正統株のクローンなのかは不明なされている途上にある．この分類学的な問題は，クリ状態となっている．

プト藻には核相の違いで 2 つの異なる形態を示す世代

MCC-NIES には現在，計 82 株のクリプト藻株が保が，それぞれ別種として記載されたこと（Hill & Weth-

存，公開されている．これらの培養株の系統関係を明─ 18 ─

Microb. Resour. Syst. June 2024

図2Vol. 40, No. 1

DNA barcoding of
spp. and evolution of photosynthesis of
spp. (A) PCR amplification of petB of representative Synechococcus
sp. strains in MCC-NIES. The newly designed primers, petB_F2 and petB_R2,
were used. The strain names indicated in bold were assigned to non-marine
Synechococcus strains. (B) Evolutionary stages of Cryptomonas strains in photosynthetic losses. Cryptomonas borealis shows intermediate traits of photosynthetic
and non-photosynthetic species.

らかにするために，代表的な 16 株を選定して，核 18S

能を失った種である C. paramaecium NIES-715 株は，

rDNA 配列と色素体ゲノムの全配列を取得し，比較解1985 年に菅平高原で採集されたが，その色素体ゲノム析を行った（Suzuki et al., 2022a）．その結果，Rho-

配列は，1940 以前に採集され，採集地不明（おそらくdomonas と 同 定 さ れ て い た 2 株 が Proteomonas でヨーロッパ）の C. paramaecium CCAP977/2A 株とほあったなど，属レベルの変更を含めて，少なくとも 7

ぼ同じ配列であった（99.91％の相似度）．後者の場合，株で種名の変更が必要であることがわかった．さら

光合成能を失うことで色素体ゲノムの進化速度が極端に，これまで色素体ゲノムが解読されていた 11 株のに遅くなっている可能性が考えられ，色素体ゲノム以

うち，2 株の種同定が間違っていた可能性も示され外のミトコンドリアや核ゲノムのゲノム進化が興味深た．ゲノム解読株はさまざまな分野の研究に用いらいところである．

れ，その種の代表的なデータとして扱われるため，正クリプト藻の色素体ゲノムの網羅的な解読の結果，確な種同定はより重要といえる．特に興味深かった点

これまで知られていないような形質をもつ培養株の存として，異なる年や地域で採集された培養株におい在 も 明 ら か と な っ て き た．Cryptomonas borealisて，全色素体ゲノムの塩基レベルで，ほぼ同じ配列のNIES-276 株は，光合成色素をもち光合成を行ってい培養株が存在したことが挙げられる．Cryptomonas

るにもかかわらず，非光合成種に特徴的な形質ももつ

sp. NIES-345 と Cryptomonas sp. NIES-1327 は，それことがわかった．非光合成種的な特徴として，本株はぞれ菅平高原の湖沼から 1982 年と 1985 年に採集され有機物の存在下で，暗黒下でも数週間増殖可能である

た 培 養 株 で あ る が， そ の 全 色 素 体 ゲ ノ ム 配 列 はこと，そして色素体ゲノムに逆位反復配列の欠失と99.97％と高い相似性を示した．また，二次的に光合成いった大きな構造変化が生じており，主要遺伝子の欠─ 19 ─

NIES 株のゲノム解析および DNA バーコーディング

鈴木重勝

失も見られることが明らかになった．これらの点か学物質に鋭敏に反応するために，生態毒性試験に世界ら，筆者らは本種を光合成消失進化の中間的な段階に中で広く用いられている．本種の全ゲノムを解読した

相当する種であると考えている（図 2B）．本種の色素と こ ろ， そ の 核 ゲ ノ ム サ イ ズ は 51 Mbp で あ り，体ゲノムをさらに詳しく解析したところ，色素体ゲノ

13,383 遺伝子がコードされていた（図 3B）．リピート

ム上に複数存在する group II イントロンがいまだ可領域も全配列の 12.5％と少なく，比較的コンパクトな動性を失っておらず，現在進行系で転移を繰り返してゲノム構造を示した．PhycoCosm（Grigoriev et al.,

いることも示された．さらに本種の色素体ゲノムに2021）に登録されているヨコワミドロ目に属する近縁は，他種には見られない，ゲノムコピー間の構造変異種間と比べてみても，本種のゲノムがそのサイズや遺が多数存在した．つまり，本種の色素体ゲノムは，現伝子数の点で最小である（2024 年 4 月現在）
．本種や在進行系で光合成能の消失に向かって，急速に変化し近縁種のゲノムでは，その限定的な遺伝子数にもかか続けていると考えられる．したがって，本種やその近わらず，一部の膜輸送体遺伝子が重複していた．その縁種は光合成能の消失進化の良いモデル系となると考なかにはアクアポリンや金属・ニコチアナミン輸送体

えている．また，カルチャーコレクションの立場から遺伝子が含まれており，本種や近縁種の高い塩耐性やは，本種のように進化速度が速いと考えられる種で高い重金属感受性と関係していることが示唆された．

は，継代培養に伴う遺伝的変異や形質変化のリスクがまた，従属栄養性種特異的な単糖輸送体遺伝子に加え大きいため，優先的に凍結保存に移行するべきであろて，タンパク質やアミノ酸輸送体遺伝子も複数コード

う．

されており，実際，本種も従属栄養環境で増殖可能であることが示された．これは，本種を用いた生態毒性

NIES 株の全ゲノム解析

試験において，資化されうる有機物を含む化学物質を

MCC-NIES では，筆者が中心となり独自に NIES 株

評価する際には注意が必要であることを示唆していの全ゲノム解読を行っている．現在では，大抵の藻類る．今後は，本種のゲノム情報を活用することで，新株について，新規シーケンスから，アノテーション，

規生態毒性評価手法の開発にもつながることが期待さ

比較解析まで，シームレスに行うことができる環境がれる．

整えられている．多様な NIES 株のなかでも，分譲実

さらに，本種のゲノム情報を利用した，発展的な研績が多い培養株や，他カルチャーコレクションに存在究も実施された．生態毒性試験に広く利用され，本研せず，MCC-NIES が独自に維持している培養株など

究のゲノム解読に用いた本培養株（NIES-35）は，もを中心に解析対象としてきた．これにより NIES 株のともとノルウェー水質研究所（NIVA）で維持されてゲノム情報の蓄積が進んできたが（表 1），ここでは，

いた株に由来しており，現在では，この NIVA 派生株

近年報告した生態毒性試験に利用される緑藻および珪が世界中のカルチャーコレクションで維持分譲されて藻の 2 試験株の例に加えて，新規光受容体をもつプラいる状況にある．そこで，世界各地の藻類カルチャー

シノ藻の全ゲノム解析についての研究を紹介したい．

コ レ ク シ ョ ン な ど が 維 持 す る 8 つ の R. subcapitata
NIVA 派生株のゲノム配列を，NIES-35 のゲノムを基準 に 比 較 し た（Yamagishi et al., 2020）． そ の 結 果，

1）緑藻 Raphidocelis subcapitata の全ゲノム解読
生態毒性試験は，農薬等の化学物質が生物の増殖やNIES-35 株に対して，多いものでは 28,212 サイト，少生存に与える影響を評価する手法で，経済協力開発機

ないものでも 19,576 サイトの一塩基多型（SNPs）が見

構（OECD）によって，その標準的な手法が定められられた．これらの SNPs は，遺伝子間領域やイントロている．そのなかには藻類を用いた増殖阻害試験も含ン領域などの非コード領域に加えて，遺伝子のコード

まれており，数種の藻類が推奨されている．このうち，領域にも存在していた．このことは，NIVA でもとも筆者らは最も広く試験に用いられている緑藻 Raphi-と維持されていた培養株が世界中に配布され，継代培

docelis subcapitata と， 最 近 用 い ら れ 始 め た 珪 藻養されるうちに，それらのゲノム配列に多数の変異がMayamaea pseudoterrestris の全ゲノム解析を行った

生じ，タンパク質の機能まで影響を与えうるレベルに（Suzuki et al., 2018, 2022b）．

達していることを意味する．実際，本研究においてゲ

Raphidocelis subcapitata は三日月型をした単細胞

ノムリシーケンスを実施した培養株間で，3,5-dichlo-性緑藻であり（図 3A），和名「ムレミカヅキモ」としrophenol に 対 す る 増 殖 阻 害 を 調 べ た と こ ろ，EC50ても知られている．本種は増殖が良く，さまざまな化（半数効果濃度）の値は，培養株間で最大で 2.6 倍もの─ 20 ─

Microb. Resour. Syst. June 2024

Vol. 40, No. 1

図 3 Genomic features of,, andLight microscopic images of Raphidocelis subcapitata (A), Mayamaea pseudoterrestris (C), and Pycnococcus provasolii (F). (B) Phylogenetic position of R. subcapitata in Sphaeropleales and their genomic statistics areshown. The genome of R. subcapitata is relatively compact in Sphaeropleales. Models of motility system (D)and Ca2+ efflux (E) in M. pseudoterrestris. Red-colored protein-coding genes represent significantly induced
genes under copper exposure. (G) Representative photoreceptors in Pycnococcus provasolii and Nephoroselmis
pyriformis. Pycnococcus provasolii lacks phytochrome but possesses Duc1 .

差異があることがわかった．これらの結果は，安定的ノムを解読したところ，本種は珪藻のなかでも最小クな試験結果を得るうえで，統一的な基準株を改めて定

ラ ス の ゲ ノ ム を も っ て い た． そ の ゲ ノ ム サ イ ズ はめ，普及させるとともに，変異を防ぐために凍結保存

30.6 Mbp であり，11,019 遺伝子がコードされていたによる管理を徹底する必要性を強く示しており，そのが，これはモデル生物として広く普及しており，これ点で藻類カルチャーコレクションにおける役割は重要まで解読されたなかで最小である海産珪藻 Phaeodac-といえる．

tylum tricornutum のゲノムに匹敵する．また遺伝子ファミリーを比較しても，M. pseudoterrestris と P.

2）珪藻 Mayamaea pseudoterrestris の全ゲノム解読
Mayamaea pseudoterrestris NIES-4280 株 は 淡 水 性の羽状目珪藻であり（図 3C），前述した R. subcapitata

tricornutum は そ の ほ と ん ど を 共 有 し て い た（＞95％）．これらの点から，本種は淡水性珪藻の新たなモデル生物として適していると考えている．

とともに生態毒性試験に利用されている．本種の全ゲ

さらに本研究では，全ゲノム情報と RNA-seq 解析技
─ 21 ─

NIES 株のゲノム解析および DNA バーコーディング

鈴木重勝

術を利用して，重金属添加時の珪藻の初期細胞応答に子をもつ可能性のあることが示唆された．プラシノ藻ついて解析を行った．EC50 量の硫酸銅を培地に添加

は緑藻植物の基部系統の総称であり，特に海水域に多し，1 時間暴露した後の細胞の遺伝子転写応答の変化く生息するグループである．さらに，NIES プラシノを解析したところ，アクチンやミオシン遺伝子に代表藻株を対象として PCR により網羅的に本遺伝子配列される細胞運動にかかわると予測される遺伝子群の発の探索を行った結果，プラシノ藻 Pycnococcus とその現が顕著に上昇していた．羽状目珪藻は基質上を滑る

近縁種 Pseudoscourfieldia の複数の培養株に本遺伝子ように移動（滑走運動）するが，この運動にはアクチが保存されていることが明らかとなった．Pycnococ-

ンおよびミオシンが関与することから，実際に細胞のcus provasolii はプラシノ藻の一種であり（図 3F），最移動速度を計測してみると，通常時が平均 12.1 μm/

初は海洋 30 m 付近の密度躍層（ピクノクライン）から

min であったのに対して，銅暴露時には 15.9 μm/min

単離された（Guillard et al., 1991）．われわれのグルーと有意に増加していた．これは，珪藻が銅をすみやかプが行ったメタゲノム解析から，海洋の表層から有光に検知し，移動速度を上げることで逃避行動を取るこ層の比較的下部まで生息することが示唆されており，とを示唆している．また，本解析の副産物として，これ強光から弱光まで幅広い光環境に適応していることがまで微細構造や生理実験データによるモデルが示されわかってきた．

ているにすぎなかった珪藻の運動メカニズムについ実際に本新規光受容体遺伝子がゲノム上にコードさて，その分子的な実態を明らかにすることができた

れているのかを調べるために，P. provasolii NIES-（図 3D）．これに加えて，多糖の合成系遺伝子や活性酸

2893 株 の 全 ゲ ノ ム 解 析 を 行 っ た（Makita et al.,

素除去系遺伝子などの発現量も上昇していた．多糖生2021）．本種のゲノムは 43 本の染色体レベルにアセン

産は，珪藻が細胞外多糖を分泌することで金属イオン

ブリされ，そのサイズは 22.7 Mbp で 11,297 遺伝子がをキレートし，無害化していると解釈できる．また活性コードされていた．そのなかに新規光受容体 Duc1 遺酸素除去系は，金属イオンによる酸化作用で生じた活伝子が 1 コピー含まれていた．Duc1 は構造的に，そ性酸素の無害化機構である．興味深いことに，細胞内の N 末端側に Phytochrome との相同領域をもち，Cのカルシウムイオンの排出系遺伝子の発現も銅暴露時末端側に Cryptochrome との相同領域をもっていたに上昇していることがわかった（図 3E）．実際にフロー（図 3G）．その光受容体としての機能を明らかとする

サイトメトリーを用いて，細胞内カルシウムイオンをた め に，Phytochrome 側 と Cryptochrome 側 の そ れ

蛍光試薬により検出してみると，銅暴露下では蛍光強ぞれについての組換えタンパク質を合成し，その吸収度の減少が見られた．これは，銅暴露により細胞内の波長を調べた．その結果，Phytochrome 側では橙色

カルシウム濃度が減少していることを意味する．一般

光（～610 nm）と遠赤色光（～700 nm）を吸収したの的に細胞内カルシウムイオン濃度は高度に維持されてに対して，Cryptochrome 側では青色光（～450 nm）

おり，その濃度変化は細胞内シグナル伝達に用いられを吸収することがわかった．つまり，本タンパク質 1

る．そのため，本研究で見られたような急激なカルシ

つで，青色光，橙色光，遠赤色光の 3 種類の波長の光

ウムイオン濃度変化は，細胞内シグナル伝達系を撹乱を感知できることを意味する．進化的には，本種と姉することで，重金属による細胞毒性の一因となってい妹群を形成するプラシノ藻 Nephroselmis では，phy-

る可能性がある．この細胞内カルシウムイオン濃度変

tochrome 遺伝子と cryptochrome 遺伝子をそれぞれ独化を検知することで，生態毒性試験手法の迅速化が可立した遺伝子としてもっていることから，Pycnococ-

能になるかもしれない．

cus 系統では Nephroselmis と分岐後に，上記 2 つの遺伝子の遺伝子融合が起こることで，Duc1 遺伝子が生

3）プラシノ藻 Pycnococcus provasolii のゲノム解析とじたと考えられる（図 3G）．本種のゲノムを詳しく解

新規光受容体の発見

析してみると，本種は種特異的な遺伝子重複により増

最近，筆者の共同研究者らにより，東北沖のメタゲ加したと考えられるプラシノ藻特異的光捕集複合体遺ノムから新規の光受容体と思われる遺伝子配列が見出

伝子（lhcp）をはじめ，光捕集にかかわる遺伝子を多された（Makita et al., 2021）．この配列をもつ種を明ら数もっており，それらの多くは橙色光や青色光照射下

かにするために，海産藻類の網羅的トランスクリプ

で発現誘導されることがわかった．つまり，Pycno-

トームデータベース（Keeling et al., 2014）を用いて該

coccus は弱光から強光，短波長から長波長光まで，さ当配列を検索したところ，一部のプラシノ藻が本遺伝

まざまな光条件を効率良く感知し環境適応すること
─ 22 ─

Microb. Resour. Syst. June 2024

Vol. 40, No. 1

で，幅広い海洋環境に生息できるのかもしれない．本（19K15904）， 発 酵 研 究 所 一 般 研 究 助 成（G-2019-1-

研究のように，メタゲノムやメタトランスクリプトー

043），ナショナルバイオリソースプロジェクト「藻ムなどの環境サンプルの情報を出発点として，網羅的類」，CREST の助成・支援を受けて行われました．

データベースで種の当たりをつけ，実際の培養株で詳

筑波大学の石田健一郎先生には，卒業研究から，植細な検証を行うという手法は，新規機能タンパク質の物系統分類学研究室にもかかわらず，快くゲノム研究

探索などに有用な手法になりうる．このような研究をを行わせていただき，現在に至るまで多大なご指導を進めるためにも，多様な系統を網羅する藻類培養株の賜りました．平川泰久先生には博士過程時やこれまで存在とそれらの安定的な保存に加えて，培養株のレの共同研究で実際的なご指導をいただきました．国立

ファレンス化，そしてさらに多様な系統を対象とする環境研究所の河地正伸博士，山口晴代博士には学位取た め の 難 培 養 性 種の培養手法の開発は，藻類 カ ル

得後から現在に至るまで，自由な環境で研究をさせてチャーコレクションの今後の重要な課題となっていく

いただき，また多大なご指導をいただきました．共同であろう．

研究者の大田修平博士，松﨑

令博士，Mary-Hélène

Noël 博士をはじめ，同微生物系統保存施設のスタッ
おわりに

フの方々には，常日頃から培養株の維持管理や培養な

本稿で紹介したのは筆者がこれまで取り組んできたどにおいて多大なご支援をいただいております．その研究内容のごく一部ではあるが，筆者は学部生時代か

他にも，卒業研究からの研究室同期である白鳥峻志博ら現在にいたるまで，継続して藻類ゲノムの研究に携

士をはじめ，様々な研究者の皆様，関係者の皆様にごわることができた．卒業研究では，BAC ライブラリ

助力，ご指導をいただいております．簡略にて不躾なのサンガー法によるエンドシーケンスを用いて，特殊がらここに記して感謝申し上げます．

なオルガネラゲノムの配列を決定した．大学院生時代には，ちょうど普及し始めたハイスループットショー

文

トリードシーケンサーを活用して，細胞内共生に着目

Berube, P.M., Biller, S.J., Hackl, T., Hogle, S.L.,

して進化的に重要な藻類のドラフトゲノム解読に取りSatinsky, B.M., Becker, J.W., Braakman, R., Collins,

組んだ．国立環境研究所では，ロングリードシーケン

S.B., Kelly, L., Berta-Thompson, J., Coe, A.,スの普及初期から導入に取り組み，現在は Hi-C 技術

Bergauer, K., Bouman, H.A., Browning, T.J., Deなども活用して多種多様な藻類種のゲノム研究を行っ

Corte, D., Hassler, C., Hulata, Y., Jacquot, J.E.,ている．研究開始当時，非モデル藻類のゲノム研究は，

Maas, E.W., Reinthaler, T., Sintes, E., Yokokawa,

その手法が全くといっていいほど確立されておらず，

T., Lindell, D., Stepanauskas, R. & Chisholm, S.W.

常に手探りの状態からのスタートであった．そのよう2018. Single cell genomes of Prochlorococcus,

な状況下でも，試行錯誤の繰り返しで何とか研究を進

Synechococcus, and sympatric microbes from

めることができ，現在，格段に情報量が増加し，目まぐるしく技術変化するゲノム研究分野での自身の研究活動において，かけがえのない経験となったと感じて

diverse marine environments. Sci. Data 5: 180154.
Chen, J., Li, Y., Jing, H., Zhang, X., Xu, Z., Xu, J. &Liu, H. 2022. Genomic and transcriptomic evidence

いる．

for the diverse adaptations of Synechococcus

ゲノム解析技術の発展に伴い，これからは非モデル

subclusters 5.2 and 5.3 to mesoscale eddies. New

生物のゲノム研究が主流となっていくであろう．非モデル生物のなかでも，遺伝子情報やゲノム構造の新規性という点で，藻類やプロティストは注目すべき研究

Phytol. 233: 1828-1842.
Chen, Y., González-Pech, R.A., Stephens, T.G.,
Bhattacharya, D. & Chan, C.X. 2020. Evidence that

材料であることを確信している．これまで培ってきたinconsistent gene prediction can mislead analysis

筆者の知識や経験を基に，今後も藻類やプロティストのゲノム研究の発展に尽力していきたいと考えている．
謝献of dinoflagellate genomes. J. Phycol. 56: 6-10.
Doré, H., Farrant, G.K., Guyet, U., Haguait, J., Humily,F., Ratin, M., Pitt, F.D., Ostrowski, M., Six, C.,
Brillet-Guéguen, L., Hoebeke, M., Bisch, A., Le

辞Corguillé, G., Corre, E., Labadie, K., Aury, J.-M.，

本 稿 で 述 べ た 研 究 成 果 の 一 部 は JSPS 科 研 費

Wincker, P., Choi, D.H., Noh, J.H., Eveillard, D.,─ 23 ─

NIES 株のゲノム解析および DNA バーコーディング

鈴木重勝

Scanlan, D.J., Partensky, F. & Garczarek, L. 2020.

Follows, M.J., Stepanauskas, R. & Chisholm, S.W.

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