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

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。

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。