【OVERVIEW】尺寸小于1mm的微藻类有望成为未来绿色产业的主要力量。为了让藻类产生更多的有用物质，改变基因等改良措施必不可少。日本国立遗传学研究所遗传性状研究系宫城岛 进也教授，着眼于日本温泉中生存的藻类，从拥有一般细胞壁的二倍体藻类中，孕育出没有细胞壁的单倍体，成功地实现了全球首例藻类的高度遗传性改变。同时还为使用酸性化海水，进行室外开放培养及增产开辟了道路。
宫城岛 进也
国立遗传学研究所 遗传性状研究系 教授
2017年在未来社会创造事业中担任研究开发代表
没有细胞壁的单倍体“红藻”
培养市售温泉水发现
微藻类作为不与农作物竞争的绿色产业备受期待，目前正在研究如何实现低成本、大量生产。但增产需要大量空地进行室外开放培养，但此时会出现混入捕食藻类的微生物等问题。另外，增产需要用到大量属于全球短缺资源的淡水。对此，日本国立遗传学研究所遗传性状研究系的宫城岛进也教授，开发出了一种使用资源丰富的海水对藻类进行室外开放培养的方法。
宫城岛教授在未来社会创造事业“使用酸性水的微藻类培养及利用形态的革新”项目中担任研究开发代表，他在研究中使用的是名为“温泉红藻类”的微藻。温泉红藻类生存于酸性温泉中，分为Schyzon（裂殖青绿藻属）、Cyanidium（青绿藻属）、Galdieria（加尔迪里藻属） 三属，均在高温、强酸性环境下通过光合作用增殖。Cyanidium、Galdieria具有坚固的细胞壁，而Schyzon没有细胞壁（图1）。
图1 生存于酸性温泉中的微藻——温泉红藻类
“Schyzon”、“Cyanidium”、“Galdieria”在高温、酸性环境下也能通过光合作用增殖，差异仅未有无细胞壁。
宫城岛教授确立了让淡水藻类的单细胞红藻（温泉红藻类）中的Schyzon逐步适应与海水同等水平的高盐浓度环境，并将海水转变为适合于温泉红藻类生存的酸性环境下进行培养的新方法（图2）。通过制造出酸性海水这一自然界中没有的环境，在室外开放培养的情况下，也能抑制微生物等的混入增殖。
图2 淡水培养基和天然海水培养基中的Schyzon室外开放培养
在淡水培养基和天然海水培养基中，放入已适应高浓度盐环境的Schyzon，并在在室外开放培养14天。结果发现，Schyzon在海水培养基中与淡水培养基中以相同速度增殖到同等密度，并且海水培养基中没有混入细菌。
Schyzon是在研究室内培养意大利酸性温泉水中的微藻类群时发现的单细胞红藻，原有栖息地不明。宫城岛教授等人认为日本应该也有Schyzon，为此将全国零售的温泉水拿来培养，结果在大分县的温泉水中发现了与Schyzon相似的藻类。宫城岛教授回顾说：“其实我在当地也采集并观察过温泉红藻类，但不可思议的是并未发现与Schyzon相似的藻类。而当我们将当地采集的具有细胞壁的Cyanidium带回培养后，发现在某种特殊环境下，会孕育出与Schyzon相似的没有细胞壁的藻类。”
随着研究的推进，通过在特殊环境下让二倍体Cyanidium进行减数分裂，生成了没有细胞壁的单倍体Schyzon样藻类。另外，将有细胞壁的Galdieria暴露在某种特殊环境下时，也会进行减数分裂，生成没有细胞壁的单倍体。并且，这些单倍体藻类都能够稳定增殖单倍体（图3）。
图3 Galdieria的单倍体和二倍体的关系
天然存在的二倍体具有坚固的细胞壁，但单倍体没有细胞壁。在单倍体的培养中，蝌蚪状的细胞会生长成球形，并通过分裂而增殖。由于Galdieria在温泉红藻类中属于生产性高的，因此作为产业用藻类受到世界关注。此次明确的单倍体产出、培养及基因改变方法，今后也有望被广泛使用。
遗传改性需要从外部导入DNA片段，但坚固的细胞壁会妨碍DNA的导入，因此，在此之前未能实现对具有坚固细胞壁的Cyanidium和Galdieria的遗传改性。而通过使用没有细胞壁的单倍体，在这些藻类中进行高度的遗传改性也成为了可能。
宫城岛教授指出了单倍体的优势：“没有细胞壁的单倍体，与有细胞壁的二倍体相比，由于可以改变基因、易于提取内容物，因此更适合产业利用。另外，由于其含有麦角蛋白这种具有抗氧化作用的氨基酸，因此可以期待用作家畜饲料等多种用途。”宫城岛教授还在酸性化海水中成功地培养了这些新发现的没有细胞壁的单倍体。
基础研究与社会应用齐头并进
证明了微藻类也为有性繁殖
宫城岛教授与Schyzon的相遇可追溯到研究生时代。他对线粒体和叶绿体细胞内共生的生物进化颇感兴趣，并开始使用单细胞藻类Schyzon研究叶绿体增殖机制。但在研究生毕业后的一段时间里，宫城岛教授改为以拟南芥为首的植物种类为对象继续研究叶绿体，并确认了其基本现象也适用于陆地植物。当时包括Schyzon在内的藻类大多还无法使用基因操作技术。
宫城岛教授到国立遗传学研究所任职时，Schyzon的基因操作已成为可能，于是他开始再次使用藻类进行研究。宫城岛教授指出：“为了研究叶绿体如何在细胞内共生后，是如何在不同系统的生物中进行传播和进化的，比起有花叶的植物，单细胞藻类的均质培养更容易。植物如果要进行世代交替，拟南芥大约需要约3个月，制作基因改造植株至少也要3～4个月，而藻类几天就能有结果。”
另外，宫城岛教授在2011～2017年担任CREST“创造用于高生物质能生产的高温、酸性耐性藻类”研究项目的代表时，同时实现了社会应用与基础研究的齐头并进，两方面都取得了很大的成果。此次也同样，类似Schyzon的没有细胞壁的微藻类制作方法在社会应用方面迈出了一大步，同时也向探究生物进化的基础研究方向迈出了一大步。宫城岛教授表示：“其实以前有种说法是，在生物进化的最初阶段，微藻类没有有性生殖，而是像细菌一样通过分裂增殖的，但我们发现了微藻类其实也是有性生殖，获得了基础研究的成果”。
现在，宫城岛教授等人正在采集日本全国温泉中的温泉红藻类，以培养出各种国产原始株。作为基础研究，为了理解各种微生物在进化过程中发展起来的多种机制及能力，研究过程中不使用天然环境下无法达到的富营养盐培养液，而需要在模拟原本生长地环境的条件下进行培养。因此，宫城岛教授在研究室中制作了一个水不断流出的环境，在与当地水成分相同的条件下进行观察。在采集温泉水的时候，宫城岛教授就在采集现场附近住宿，将显微镜等大设备事先送到旅馆，样品采集后马上就进行观察。
宫城岛教授认为，这样做虽然辛苦，但现场工作有其重大意义和期待。“在现场发现的温泉红藻类都是拥有细胞壁的二倍体细胞。在自然环境中，怎样的条件下才会出现单倍体，进行有性生殖，这个问题还不清楚。也许像竹子开花一样偶尔才会出现吧。”。宫城岛教授想传达给下一代传达的是，研究自己认为“有趣”的事情的姿态。柔软的大脑思维，会为研究带来进一步的发现和成果。
（TEXT：伊藤左知子、PHOTO：石原秀树）
原文：JSTnews 2023年1月号
翻译：JST客观日本编辑部
