【OVERVIEW】尺寸小於1mm的微藻類有望成爲未來綠色產業的主要力量。爲了讓藻類產生更多的有用物質，改變基因等改良措施必不可少。日本國立遺傳學研究所遺傳表徵研究系宮城島 進也教授，着眼於日本熱泉中生存的藻類，從擁有一般細胞壁的二倍體藻類中，孕育出沒有細胞壁的單倍體，成功地實施了全球首例藻類的高度遺傳性改變。同時還爲使用酸性化海水，進行室外開放培養及增產開闢了道路。
宮城島 進也
國立遺傳學研究所 遺傳表徵研究系 教授
2017年在未來社會創造事業中擔任研究開發代表
沒有細胞壁的單倍體「紅藻」
培養市售熱泉水發現
微藻類作爲不與農作物競爭的綠色產業備受期待，目前正在研究如何實施低成本、量產。但增產需要大量空地進行室外開放培養，但此時會出現混入掠食藻類的微生物等問題。另外，增產需要用到大量屬於全球短缺資源的淡水。對此，日本國立遺傳學研究所遺傳表徵研究系的宮城島進也教授，開發出了一種使用資源豐富的海水對藻類進行室外開放培養的方法。
宮城島教授在未來社會創造事業「使用酸性水的微藻類培養及利用形態的革新」專案中擔任研究開發代表，他在研究中使用的是名爲「熱泉紅藻類」的微藻。熱泉紅藻類生存於酸性熱泉中，分爲Schyzon（斷裂生殖青綠藻屬）、Cyanidium（青綠藻屬）、Galdieria（加爾迪裏藻屬） 三屬，均在高溫、強酸性環境下透過光合作用增殖。Cyanidium、Galdieria具有堅固的細胞壁，而Schyzon沒有細胞壁（圖1）。
圖1 生存於酸性熱泉中的微藻——熱泉紅藻類
「Schyzon」、「Cyanidium」、「Galdieria」在高溫、酸性環境下也能透過光合作用增殖，差異僅未有無細胞壁。
宮城島教授確立了讓淡水藻類的單細胞紅藻（熱泉紅藻類）中的Schyzon逐步適應與海水同等水平的高鹽濃度環境，並將海水轉變爲適合於熱泉紅藻類生存的酸性環境下進行培養的新方法（圖2）。透過製造出酸性海水這一自然界中沒有的環境，在室外開放培養的情況下，也能抑制微生物等的混入增殖。
圖2 淡水培養基和天然海水培養基中的Schyzon室外開放培養
在淡水培養基和天然海水培養基中，放入已適應高濃度鹽環境的Schyzon，並在在室外開放培養14天。結果發現，Schyzon在海水培養基中與淡水培養基中以相同速度增殖到同等密度，並且海水培養基中沒有混入細菌。
Schyzon是在研究室内培養意大利酸性熱泉水中的微藻類羣時發現的單細胞紅藻，原有棲地不明。宮城島教授等人認爲日本應該也有Schyzon，爲此將全國零售的熱泉水拿來培養，結果在大分縣的熱泉水中發現了與Schyzon相似的藻類。宮城島教授回顧說：「其實我在當地也採集並觀察過熱泉紅藻類，但不可思議的是並未發現與Schyzon相似的藻類。而當我們將當地採集的具有細胞壁的Cyanidium帶回培養後，發現在某種特殊環境下，會孕育出與Schyzon相似的沒有細胞壁的藻類。」
隨着研究的推進，透過在特殊環境下讓二倍體Cyanidium進行減數分裂，生成了沒有細胞壁的單倍體Schyzon樣藻類。另外，將有細胞壁的Galdieria暴露在某種特殊環境下時，也會進行減數分裂，生成沒有細胞壁的單倍體。並且，這些單倍體藻類都能夠穩定增殖單倍體（圖3）。
圖3 Galdieria的單倍體和二倍體的關係
天然存在的二倍體具有堅固的細胞壁，但單倍體沒有細胞壁。在單倍體的培養中，蝌蚪狀的細胞會成長成球形，並透過分裂而增殖。由於Galdieria在熱泉紅藻類中屬於生產性高的，因此作爲產業用藻類受到世界關注。此次明確的單倍體產出、培養及基因改變方法，今後也有望被廣泛使用。
遺傳改性需要從外部導入DNA片段，但堅固的細胞壁會妨礙DNA的導入，因此，在此之前未能實施對具有堅固細胞壁的Cyanidium和Galdieria的遺傳改性。而透過使用沒有細胞壁的單倍體，在這些藻類中進行高度的遺傳改性也成爲了可能。
宮城島教授指出了單倍體的優勢：「沒有細胞壁的單倍體，與有細胞壁的二倍體相比，由於可以改變基因、易於提取内容物，因此更適合產業利用。另外，由於其含有小麥角蛋白這種具有抗氧化作用的氨基酸，因此可以期待用作家畜飼料等多種用途。」宮城島教授還在酸性化海水中成功地培養了這些新發現的沒有細胞壁的單倍體。
基礎研究與社會應用齊頭並進
證明了微藻類也爲有性繁殖
宮城島教授與Schyzon的相遇可追溯到研究生時代。他對粒線體和葉綠體細胞内共生的生物演化頗感興趣，並開始使用單細胞藻類Schyzon研究葉綠體增殖機制。但在研究生畢業後的一段時間裏，宮城島教授改爲以擬南芥爲首的植物種類爲物件繼續操作研究葉綠體，並應答了其基本現象也適用於陸地植物。當時包括Schyzon在内的藻類大多還無法使用基因操作技術。
宮城島教授到國立遺傳學研究所任職時，Schyzon的基因操作已成爲可能，於是他開始再次使用藻類進行研究。宮城島教授指出：「爲了研究葉綠體如何在細胞内共生後，是如何在不同系統的生物中進行傳播和演化的，比起有花葉的植物，單細胞藻類的均質培養更容易。植物如果要進行世代交替，擬南芥大約需要約3個月，製作基因改造植株至少也要3～4個月，而藻類幾天就能有結果。」
另外，宮城島教授在2011～2017年擔任CREST「創造用於高生質能生產的高溫、酸性耐性藻類」研究專案的代表時，同時實施了社會應用與基礎研究的齊頭並進，兩方面都取得了很大的成果。此次也同樣，類似Schyzon的沒有細胞壁的微藻類製作方法在社會應用方面邁出了一大步，同時也向探究生物演化的基礎研究方向邁出了一大步。宮城島教授表示：「其實以前有種說法是，在生物演化的最初階段，微藻類沒有有性生殖，而是像細菌一樣透過分裂增殖的，但我們發現了微藻類其實也是有性生殖，獲得了基礎研究的成果」。
現在，宮城島教授等人正在採集日本全國熱泉中的熱泉紅藻類，以培養出各種國產原始株。作爲基礎研究，爲了理解各種微生物在演化程序中隊形變換起來的多種機制及能力，研究程序中不使用天然環境下無法達到的富營養鹽培養液，而需要在類比原本生長地環境的條件下進行培養。因此，宮城島教授在研究室中製作了一個水不斷流出的環境，在與當地水成分相同的條件下進行觀察。在採集熱泉水的時候，宮城島教授就在採集現場附近住宿，將顯微鏡等大設備事先送到旅館，樣品採集後馬上就進行觀察。
宮城島教授認爲，這樣做雖然辛苦，但現場工作有其重大意義和期待。「在現場發現的熱泉紅藻類都是擁有細胞壁的二倍數細胞。在自然環境中，怎樣的條件下才會出現單倍體，進行有性生殖，這個問題還不清楚。也許像竹子開花一樣偶爾才會出現吧。」。宮城島教授想傳達給下一代傳達的是，研究自己認爲「有趣」的事情的姿態。柔軟的大腦思維，會爲研究帶來進一步的發現和成果。
（TEXT：伊藤左知子、PHOTO：石原秀樹）
原文：JSTnews 2023年1月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
