長期にわたる暗所従属栄養に適応したシアノバクテリアの光合成喪失の進化プロセス

适应长期暗异养的蓝藻光合作用丧失的进化过程

基本信息

批准号：
22K19146
负责人：
藤田祐一
金额：
$ 4.16万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K19146/
关键词：
シアノバクテリア光合成適応進化ゲノム解析従属栄養生育

项目摘要

寄生植物や菌従属栄養植物に代表されるように、光合成生物の異なる系統で光合成能力の喪失現象が多数観察されており、このことは光合成生物が自然環境下で光合成能力を喪失する進化が頻繁に起きていることを示唆している。しかし、光合成能力が失われるような進化を直接観察した報告はない。暗所でもグルコースによって従属栄養的に生育できる能力をもつシアノバクテリアLeptolyngbya boryanaを暗黒下での従属栄養条件下で長期培養（6～49ヶ月）することにより28の暗所適応株を単離した。すべての適応株は親株よりも暗所での従属栄養成長が向上し、その一方、多くの適応株で光合成成長能が失われていた。ゲノムリシーケンスの結果、28株で合計90個の変異が検出され、このうち18個の変異が単一遺伝子（LBDG_21500）に生じていた。LBDG_21500は、原核生物に広く分布するパートナースイッチング系に関わるPP2CホスファターゼRsbUをコードしている。親株から新たに単離した単独の欠損変異体の形質は、本遺伝子がこれら暗所適応株の原因遺伝子であることを確認した。野生型と単独欠損株の明暗条件でのRNA-seq 解析を行い、欠損株では光合成独立栄養条件下で光化学系 Iやフィコビリソーム等の遺伝子の転写物レベルが減少し、暗所従属栄養条件下では主に糖代謝に関わる遺伝子の転写物レベルが増加していた。これらの結果は、L. boryanaにおいてPP2CホスファターゼRsbUを構成要素とするパートナースイッチング系の作動が光合成独立栄養と従属栄養の切り替え制御で重要なはたらきをしていることを示唆している。この実験室微小進化実験は、転写制御系の変異が光合成喪失に至る進化の最初の一歩となることを示唆している。

在许多不同的光合生物谱系中都观察到光合能力的丧失，以寄生植物和真菌异养植物为代表，这表明正在发生什么。然而，还没有直接观察光合作用能力丧失的进化的报道。我们通过在黑暗的异养条件下长期培养（6至49个月），分离出28个适应黑暗的蓝藻Leptolyngbya boryana菌株，即使在黑暗中，它也能以葡萄糖异养生长。所有适应菌株都比其亲本菌株在黑暗中表现出更好的异养生长，而许多适应菌株失去了光合作用生长的能力。基因组重测序结果，在28个菌株中总共检测到90个突变，其中18个突变发生在单个基因（LBDG_21500）。 LBDG_21500 编码 PP2C 磷酸酶 RsbU，该酶参与原核生物中广泛分布的伙伴转换系统。新从亲本菌株中分离出的单个缺失突变体的特征证实该基因是这些暗适应菌株的致病基因。我们对野生型和单一缺失菌株在明暗条件下进行RNA-seq分析，发现缺失菌株中光系统I和藻胆体等基因的转录水平在光自养条件下下降，在暗异养条件下下降主要参与糖代谢的基因的转录水平增加。这些结果表明，由 PP2C 磷酸酶 RsbU 组成的伙伴转换系统的运行在控制 L. boryana 光自养和异养之间的转换中发挥着重要作用。这项实验室微进化实验表明，转录控制系统的突变是导致光合作用丧失的进化的第一步。