比較ゲノム解析が明らかにする菌類の起源 ~菌糸と多細胞性はどのように生まれた?~

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2019-09-09 科学技術振興機構

ポイント
  • 菌類の菌糸と多細胞性のそれぞれの起源を明らかにするため、原始的な単細胞生物と菌類でない近縁種、菌類の計72種のゲノムデータを比較解析した。
  • 72生物種の形態形成に関わる遺伝子群を調べたところ、菌糸と多細胞性の起源は、祖先真核生物遺伝子の使い回しや別機能への転用などの遺伝的変化と相関があった。
  • 生態系・農業・バイオ産業などで重要な菌類を理解し、その利用拡大に貢献する。

JST 戦略的創造研究推進事業において、筑波大学 生命環境系 微生物サステイナビリティ研究センター(MiCS)の竹下 典男 准教授らの研究グループは、ゲノムデータを使用した大規模な比較ゲノム解析の結果に基づき、菌類の菌糸と多細胞性の起源の一端を解明しました。

菌類とは一般に、キノコやカビのように菌糸や子実体を形成する生活環を持つ糸状菌、酵母と呼ばれる単細胞性の生活環を持つ菌などの真核生物の総称です。生物界では菌界に分類され、外部の有機物を利用する従属栄養生物であり、分解酵素を分泌して細胞外で養分を消化し、細胞表面から摂取します。菌糸の伸長と分岐からなる多細胞性の菌糸体は、糸状菌の大きな特徴で、その養分吸収や病原性などに関わります。

本研究では、菌糸と多細胞性の起源を探るため、原始的な単細胞生物と、菌類でない近縁種、菌類(糸状菌または酵母)、計72種のゲノムを比較しました。これまでの研究で機能が分かっている遺伝子の中から、細胞骨格、細胞壁、細胞極性、シグナル伝達、膜輸送といった細胞の形態形成の機能に関わる651遺伝子を選別し、それらの遺伝子が72生物種でどのように保存されているか、遺伝子が失われたり重複していたりするか、それぞれのゲノムを比較して調べました。そして、菌糸と多細胞性に関わる遺伝子群の進化は、いくつかの遺伝的変化による祖先真核生物遺伝子の使い回しや別機能への転用と相関があることを示しました。

本研究は、ハンガリー科学アカデミー 生物学研究所(BRC-HAS)のLászló Nagy(ラッツロ ナギィ) 教授の研究グループと共同で行いました。

本研究成果は、2019年9月9日(英国時間)に英国科学誌「Nature Communications」のオンライン版で公開されます。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

戦略的創造研究推進事業 総括実施型研究(ERATO)

研究プロジェクト:「野村集団微生物制御プロジェクト」

研究総括:野村 暢彦(筑波大学 生命環境系 教授)

研究期間:平成27年10月~令和3年3月

<研究の背景と経緯>

菌類は一般に、キノコやカビのように菌糸や子実体(胞子形成のために作る複合的な構造)を形成する生活環を持つ糸状菌、酵母と呼ばれる単細胞性の生活環を持つ菌などの真核生物の総称です。生物界では動物界、植物界に並ぶ菌界に分類され、200〜500万種も存在すると試算される巨大な生物群です。菌類にはさまざまな分類群が含まれ、非常に大きな形態的・生物学的多様性を示します。外部の有機物を利用する従属栄養生物であり、分解酵素を分泌して細胞外で養分を消化し、細胞表面から摂取します。

菌糸の伸長と分岐からなる多細胞性の菌糸体は、糸状菌の大きな特徴で、その養分吸収や病原性などに関わります(図a)。自然界では分解者として重要な役割を果たしており、生態系の物質循環に欠かせない存在です。糸状菌の中には、酒、醤油、味噌などの伝統的な発酵食品の生産に関わるもの、さまざまな有用酵素や抗生物質の生産などバイオ産業で利用されるものなどがあります。一方で、人間や農作物の細胞に侵入して病原性を示し、甚大な被害をもたらすものもあり、菌類の理解や菌糸生長の制御が求められています。

<研究の内容>

本研究では、菌糸と多細胞性のそれぞれの起源を探るため、原始的な単細胞生物、菌類でない近縁種、菌類(糸状菌または酵母)と計72種のゲノムを比較しました。近年の系統樹解析で、糸状菌はツボカビ様の祖先種から進化していることが示されており、本研究でもそのことを支持する系統樹が作成されました(図b)。これまでいくつかの糸状菌や酵母で機能解析がなされた遺伝子の中から、細胞骨格、細胞壁、細胞極性、シグナル伝達、膜輸送などの形態形成の機能に関わる651遺伝子を選別し、10の機能グループに分類しました。それらの遺伝子が72生物種でどのように保存されているか、遺伝子が失われたり重複したりしているかを調べました(図c)。

他の生物の多細胞性の進化には、細胞と細胞の接着に関わる遺伝子やシグナル伝達に関わるリン酸化酵素などの遺伝子数の増加が関連していることが示されています。しかし、菌糸と多細胞性に関わる進化において、細胞接着やリン酸化酵素遺伝子数に顕著な増加は見られませんでした。10の機能グループについても遺伝子数に顕著な増加は見られませんでした。このことから、遺伝子ファミリーの重複や多様化というより、いくつかの遺伝的変化による祖先真核生物遺伝子の使い回しや別機能への転用が、菌糸と多細胞性の進化に関わることが示唆されました。これは、菌類が独自の進化を遂げてきたことを意味します。

<今後の展開>

菌類の菌糸と多細胞性は、菌類が陸生生活へ適応し繁栄するために重要であると考えられています。本研究は、その起源に迫るものであり、菌類を理解する上で重要です。また、比較ゲノム解析は菌糸と多細胞性の出現に関わるあらゆる遺伝子の変化を明らかにする可能性があり、本研究成果を基に新たな因子の解析が進むことが期待されます。さらに菌類、糸状菌の菌糸や多細胞性を理解し、その制御が可能になれば、醸造・発酵食品分野、抗生物質・有用酵素生産などのバイオ産業分野、農業・医学分野など、糸状菌が関わる幅広い分野に貢献することが期待されます。

<参考図>

図

a)菌類の菌糸と菌糸体のイメージ

b)原始的な単細胞生物、菌類でない近縁種、菌類の系統樹。菌類は、コウマクノウキン門、ツボカビ門、接合菌類(ケカビ亜門、グロムス亜門、トリモチカビ亜門)、子嚢菌門、担子菌門に分類される。計72種のゲノム比較による系統樹解析により、菌類、菌糸、多細胞性の起源と推測される分岐が示される。

c)選抜した651遺伝子の形態形成に関わる機能の分類(細胞骨格、細胞壁、細胞極性、シグナル伝達、膜輸送など)。菌糸または多細胞性の起源の分岐周辺における各機能の分類の遺伝子の数を円の大きさで示している。

<論文タイトル>
“Comparative genomics reveals the origin of fungal hyphae and multicellularity”
(比較ゲノム解析が明らかにする菌類の菌糸と多細胞性の起源)
著者名:Enikő Kiss, Botond Hegedüs, Máté Virágh, Torda Varga, Zsolt Merényi, Tamás Kószó, Balázs Bálint, Arun N. Prasanna, Krisztina Krizsán, Sándor Kocsubé, Meritxell Riquelme, Norio Takeshita, László G. Nagy
DOI:10.1038/s41467-019-12085-w
<お問い合わせ先>
<研究に関すること>

竹下 典男(タケシタ ノリオ)
筑波大学 生命環境系 微生物サステイナビリティ研究センター(MiCS) 准教授
ERATO 野村集団微生物プロジェクト ゲノム生化学グループリーダー

<JST事業に関すること>

内田 信裕(ウチダ ノブヒロ)
科学技術振興機構 研究プロジェクト推進部

<報道担当>

科学技術振興機構 広報課

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