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May 22, 2023

珪藻の姉妹群であるパルマレスのゲノム解析により、ファゴからの珪藻の進化的特殊化が明らかになった

Communications Biology volume 6、記事番号: 697 (2023) この記事を引用する 499 アクセス 5 Altmetric Metrics 詳細 Parmales (Bolidophyceae クラス) は、ピコサイズの小さなグループです。

Communications Biology volume 6、記事番号: 697 (2023) この記事を引用

499 アクセス

5 オルトメトリック

メトリクスの詳細

パルマレス目 (Bolidophyceae 綱) は、シリカ板で囲まれた細胞を持つ種を含む、ピコサイズの真核生物海洋植物プランクトンの少数グループです。 これまでの研究で、パルマレスは緑藻類のメンバーであり、現代の海洋で最も成功した植物プランクトン群である珪藻（桿菌門）の姉妹であることが明らかになった。 したがって、パルマレアンのゲノムは、これら 2 つの系統を区別した進化的出来事と、珪藻とパルマレアンのより不可解なライフスタイルの生態学的成功のゲノム基盤の両方を解明するための参考として役立ちます。 ここでは、8 つのパルマリアンと 5 つの珪藻のゲノムを比較して、それらの生理学的および進化的な違いを調査します。 パルマリアンは貪食混合栄養生物であると予測されています。 対照的に、珪藻は食作用に関連する遺伝子を失っており、その初期進化において貪食混合栄養性から光合成独立栄養性への生態学的特殊化を示している。 さらに、珪藻はパルマリアンと比較して、鉄やシリカなどの栄養素の摂取と代謝に関与する遺伝子セットが大幅に豊富であることが示されています。 全体として、我々の結果は、パルマレス系統から分岐した後の珪藻進化の初期において、貪食混合栄養性の喪失とケイ化光合成独立栄養生活段階への特化との間に強い進化的関連性があることを示唆している。

パルマレス目 (Bolidophyceae 綱) は、ケイ化したプレートに囲まれた細胞を持つピコサイズ (2 ～ 5 μm) の真核海洋植物プランクトンのグループです1。 パルマレアンは極地から熱帯地域までの海洋に広く分布しており、極地と亜寒帯には比較的豊富に存在します2,3。 パルマリアン配列は、タラ海洋からの全球海洋メタバーコーディング データのピコプランクトン画分 (0.8 ～ 5 μm) に最も豊富に含まれており、光合成生物の配列の最大 4%、平均で 1% 未満に相当します2。 現在、パルマレアンの 17 分類群のみが記載されています 3,4。 SEM および TEM 観察、分子系統解析、および光合成色素分析により、パルマレアンは珪藻 (桿菌門) の姉妹分類群である黒藻類 (緑藻) 5 に属することが示されました。 ボリド藻類には、主に亜熱帯水域に生息するピコサイズの光合成裸鞭毛虫 (ボリドモナドと呼ばれる) も含まれています6。 いくつかの新たに単離された菌株を用いた最近の系統解析により、鞭毛を持つボリドモナド種は、ボリド藻類内のケイ化および非鞭毛パルマリアン属トリパルマに属していることが明らかになり、トリパルマの生活環がケイ化/非鞭毛期と裸/鞭毛発生期の間で切り替わることが示唆されています2。

珪藻は、三畳紀とジュラ紀の境界付近 (約 2 億年前 7) に出現したと推定される比較的若い単細胞真核生物のグループです。 進化の歴史は短いにもかかわらず、珪藻は現代の海洋で最も成功した植物プランクトンのグループです。 それらは最大 105 種 8 に及ぶ非常に多様性があり、海洋の一次生産に広く貢献しており、惑星全体の光合成の最大 20% を行っています。 珪藻は湧昇地域などの動的な環境で特に成功すると考えられており、その生態学的成功はケイ化細胞壁防御9や贅沢な栄養素の摂取10などの形質によって支えられていることが示唆されています。 しかし、過去 20 年間で珪藻ゲノムの理解が進んだにもかかわらず、現代の海洋における珪藻の成功の根底にある理由は依然としてよく理解されていません。 珪藻の生態学的成功を理解するには、この分類群における生理関連遺伝子の進化の特徴付けが必要です。

パルマリアンは珪藻に最も近い近縁種ですが、姉妹分類群に比べてバイオマス、種の多様性、生態学的影響がはるかに低いことが示されています。 提案されているパルマリアンの生活環は、ケイ化/非鞭毛化段階と裸/鞭毛化段階の間で切り替わり、提案されている珪藻の起源と類似しています2。 祖先の珪藻はおそらくケイ化二倍体接合子を形成した一倍体鞭毛虫であったと考えられます11。 接合子の有糸分裂は、中心珪藻を生み出すために優先的に起こった可能性がある12。中心珪藻は、有性生殖のために裸鞭毛のある一倍体雄性配偶子を生成する二倍体の栄養段階を持つ最も古い珪藻群である13。 したがって、パルマリアンと珪藻の比較は、それらの生態戦略と進化経路の違いについての重要な手がかりを提供すると期待されています。 現在まで、パルマレアンに関する限られたゲノム データのみが入手可能であり 14、パルマレアンと珪藻の違いをもたらしたゲノムの特徴や進化の出来事は研究されていないままです。 この研究では、7 つの新しいパルマリアン ゲノム アセンブリを生成しました。 これら 7 つのドラフト ゲノム、以前に決定された 1 つのパルマリアン ゲノム、および公的に入手可能な 5 つの珪藻ゲノムを使用して、比較ゲノム解析を実行しました。 私たちの結果は、これら 2 つの系統の分岐後の進化の軌跡を描写し、それらの生態学的特徴とゲノム機能を相関させます。