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查明植物进化和促进微藻的高级产业利用~温泉微藻红藻属的性发现和高级遗传改变技术~ ■概要 植物中存在着开花后通过受精产生种子的伴随着“有性生殖(1)”的生活环境。 但是，迄今为止，进化初期出现的单细胞红藻等被认为是无性生殖(1)，植物有性生殖的起源和藻类植物的进化过程尚不清楚。 由信息系统研究机构国立遗传学研究所的特任助教广冈俊亮、宫城岛进也教授、理化学研究所的岩根敦子队长组成的共同研究小组，发现了单细胞红藻的一种，生活在国内外酸性温泉中的galdieria ，作为进行有性生殖的生物特征的二倍体(2)存在，通过暴露在特殊的环境中进行减数分裂，产生没有细胞壁的单倍体(2)。 在galdieria ，存在用于在植物中养花的关键遗传基因群的祖先遗传基因群，调查了这些功能后发现单倍体在二倍体化时起作用。 并且，除了使单倍体在单倍体的状态下稳定增殖外，还成功开发了遗传修饰技术。 本研究今后有望与植物有性生殖的起源和藻类植物进化过程的阐明有关联。 另一方面，galdieria 的蛋白质和各种维生素含量高，能在短时间内繁殖到超高密度，因此，作为新的产业用藻类，世界各国正在进行活用方法的开发。 此外，本研究小组还发现，galdieria含有高浓度的麦角新碱(3)，这种维生素具有强大的抗氧化作用，被认为具有提高记忆力等促进大脑功能的效果。 但是，二倍体galdieria 的活用，存在着由于坚固的细胞壁导致内容物的提取困难，也不能通过遗传改变进行品种改良的问题。 本研究发现的无细胞壁单倍体，由于内容物提取容易且可进行遗传改变，因此有望解决这些问题。 此外，通过有效利用这些特性，还可以期待创造家畜用的“食用疫苗”等微藻的高级利用形态。  图1 :本研究发现的伴有galdieria 有性生殖的生活环境 成果刊登杂志 本研究成果将于2022年10月3日(日本时间)一周刊登在美国科学杂志《美国国家科学院院刊(PNAS)proceedings of the national academy of sciences ( PNAS )》上。 论文标题: life cycle and functional genomics of the uni cellular red alga galdieria for elucidating algal and plant evolution and industrial use (单细胞红藻galdieria的生命周期和功能基因组学，用于阐明藻类和植物进化和工业用途) 作者: S. Hirooka，T. Itabashi，T. M. Ichinose，R. Onuma，T. Fujiwara，S. Yamashita，L. W. Jong，R. Tomita，a . (广冈俊亮、板桥岳志、一之濑孝子、大沼亮、藤原崇之、山下翔大、约翰·林威、富田丽子、岩根敦子、宫城岛进也) ■研究详情 研究背景 植物中存在着开花后通过受精产生种子的有性生殖的生活环境，由此在同一物种的集团内产生遗传多样性。 有性生殖也出现在植物祖先的部分单细胞藻类中，但在进化初期出现的许多单细胞藻类中，没有发现有性生殖过程。 因此，这些单细胞藻类只通过细胞分裂进行增殖(无性生殖)，植物有性生殖的起源和藻类植物的进化过程尚不清楚。 另外，单细胞藻类与植物相比具有更高的CO2固定能力，含有高浓度的蛋白质、维生素类、色素等，其生产与农业没有竞争，因此，部分微藻被作为保健品、色素、化妆品等产业利用。 特别是生活在国内外硫酸酸性温泉(群马县草津、大分县别府等)的单细胞红藻藻黄杆菌，与其他微藻相比，蛋白质和各种维生素含量更高，为了在短时间内增殖到超高密度( 100 g干燥藻体/L )，世界各国正在进行面向其产业利用的开发。 但是，galdieria被坚固的细胞壁包围着，所以存在着内容物提取困难，而且也不能通过遗传改变进行品种改良的问题。 本研究的成果 生活在自然环境中，迄今为止在世界各地培养的galdieria全部被坚固的细胞壁覆盖，其他形态尚不知晓。 本研究发现，具有细胞壁的galdieria细胞为二倍体，将该二倍体暴露在比生境更强的酸性环境中时，会产生没有细胞壁的单倍体。 并且，成功地使单倍体在单倍体的状态下稳定增殖，以及使单倍体恢复为二倍体。 迄今为止在进化初期出现的藻类中没有发现的有性生殖过程在世界上首次被发现。 另外，通过使用没有细胞壁的单倍体，研究人员还成功地开发了galdieria的遗传修饰技术。 本方法不仅可以制造其他生物的基因产物的重组体，还可以进行完全不导入外来序列的自我克隆(4)。 因此，利用本方法，也可以制造出不存在于天然中的蓝色藻体(蓝色是作为食品着色剂使用的藻蓝蛋白的颜色)等。
图2 :发现在酸性温泉中生长的单细胞红藻galdieria有性生殖，以及使用无细胞壁单倍体进行遗传改变的例子 ( a ) galdieria所属的单细胞红藻-蓝蓟(温泉米渣)类的天然情况。 ( b )此次研究表明，具有细胞壁的galdieria细胞是二倍体，这是以前已知的唯一形式。 而且，这次新发现了没有细胞壁的单倍体。 具有细胞壁的二倍体在母细胞壁内形成4~32个女儿细胞，通过破坏母细胞壁(箭头)进行增殖。 单倍体是通过蝌蚪样的细胞(箭矢)生长成为球形并分裂而增殖的。 ( c )二倍体和单倍体干燥后再溶胀、离心分离的结果。 二倍体因为被坚固的细胞壁包围，所以内容物不会出现，但是单倍体因为没有细胞壁，所以蓝色色素(藻蓝蛋白)等内容物很容易被提取出来。 ( d )通过遗传修饰产生的叶绿素(绿色光合色素)合成基因破坏株( CHLD )、类胡萝卜素(黄色光合色素)合成基因破坏株( PSY )和两个基因的双重破坏株( CHLDPSY )。 今后的期待 单细胞红藻galdieria具有有性生殖能力，发现植物中存在着成花关键基因组的祖先基因组，这些是单倍体二倍体化所必需的，希望本研究能为藻类植物进化过程和有性生殖起源的阐明提供依据。 另外，本成果发现的单倍体具有与二倍体相同的增殖能力，内容物提取也容易，可以进行遗传改变，因此不仅产业利用变得容易，而且将表达病毒表面蛋白质的藻体用作家畜用的"食用疫苗"等。 |
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