動物と植物を分けるものはなんでしょう？
植物とは「葉緑体によって光合成をする存在」と定義できますが、その起源は何十億年も前に、真核生物が光合成能力を持つシアノバクテリを取り込んだことに遡ります。
しかし、真核生物が葉緑体を獲得する「植物化」のプロセスがどのように起こったのかは不明でした。
神戸大学、福井工業大学、北海道大学らの研究チームは今回、他の藻類から葉緑体を盗んで我がものとする生物「ラパザ」の研究からその秘密の一端を解き明かしたそうです。
研究の詳細は、2023年3月16日付で科学雑誌『PNAS』に掲載されています。
目次
- 葉緑体を自らに取り込む「植物化」はどう起きた？
- どのように葉緑体を盗んで光合成をしているのか？
葉緑体を自らに取り込む「植物化」はどう起きた？
地球上の生命活動をエネルギー面から支えているのは「光合成」です。
私たちは植物が光合成で生み出す酸素がなければ生きていけません。
植物はこの光合成に必須の器官である「葉緑体」を進化させ、地球を酸素にあふれた惑星へと作り替えました。
光合成はもともと、太古の昔にいたシアノバクテリア（ラン藻）の仲間が始めたものと考えられています。
シアノバクテリアは細菌の一種であり、真核生物よりずっと単純な作りの原核生物です。
しかしその後、真核生物がシアノバクテリアを自らの細胞内に取り込み、葉緑体という細胞小器官を作り出したことで、植物（水環境の藻類や陸上の種を含む）が誕生しました。
（真核生物は複雑で多様な細胞を持つ生き物の総称。私たちを含む動物や植物のこと）
この真核生物が葉緑体を獲得したプロセスを「植物化」といいます。
一方で、こうした異なる生物の光合成細胞を自らに取り込む”キメラ融合”がどんなメカニズムで生じたのかは未だ解明されていません。
なぜなら「植物化」は過去の出来事であり、その進化の現場を直接手にとって調べる対象がなかったからです。
植物化をひもとく鍵となる生物「ラパザ」
ところが、研究チームが調査を続けてきた「ラパザ（Rapaza viridis）」という生き物が、まさに”現在進行形の植物化”を体現する生物でした。
ラパザは海に生息している小さな原生生物（真核生物に属する単細胞生物）で、1ミリの100分の1ほどのサイズしかありません。
丸っこい体に2本の鞭毛（べんもう）が生えていて、透明な細胞の中に緑色の葉緑体が複数個含まれています。
ラパザは発見当初は、もとから葉緑体を持つ生き物と思われていましたが、他の藻類を食べる奇妙な習性があることも知られていました。
そして後の研究で、ラパザの細胞内にある葉緑体はすべて、テトラセルミスという緑藻から奪った「葉緑体」であることが発覚したのです。
つまりラパザは外部から栄養素を取り込んで生きる動物でありながら、テトラセルミスから葉緑体だけを奪って光合成を行うことで植物化する生物だったのです。
このように、他の生物から葉緑体を盗む一時的な植物化を「盗葉緑体現象」と呼びます。
例えばウミウシの一部にも、植物のエサから盗んだ葉緑体を細胞に取り込んで、光合成をする種がいます。
従来知られている盗葉緑体現象では、葉緑体の元の持ち主の細胞核も一緒に取り込むことで、盗んだ葉緑体を機能させるのが一般的でした。
ところが、ラパザはこの常識と一線を画します。
ラパザは、テトラセルミスから葉緑体だけを盗み、これを別の生物から奪った遺伝子で制御していたのです。
研究者いわく「これは異次元のキメラ融合の証拠であり、植物化の現場を直接検証できる衝撃の生物である」といいます。
ではラパザはどのように葉緑体を盗み、光合成のために機能させていたのでしょうか？
どのように葉緑体を盗んで光合成をしているのか？
ラパザが葉緑体を獲得するにはまず、テトラセルミスの細胞を捉えて「貪食（どんしょく）」を行います。
貪食とは本来、細胞内に取り込んだ餌を消化・吸収して、栄養分を得るためのメカニズムです。
ところがラパザの場合、テトラセルミスの細胞を消化することなく、餌の葉緑体だけを分離して、それ以外は細胞の外に捨てていたのです。
葉緑体だけがラパザの中に残され、テトラセルミスの細胞核やDNAは排除されていました。
これはテトラセルミスの葉緑体を機能させるための遺伝子が失われることを意味するので重大です。
しかしチームはその後、ラパザが
・盗んだ葉緑体を細胞分裂により、それぞれの細胞に分配して増殖させていたこと
・2週間が経過しても盗んだ葉緑体はちゃんと光合成を続けていたこと
・光合成による産物をラパザ細胞が利用していたこと
を確認しました。
このように盗葉緑体の機能が維持されることは、それが働くために必要なタンパク質を次々と供給し続ける遺伝子があることを示します。
葉緑体を働かせる遺伝子を「他の植物」から獲得
そこでチームは、ラパザが発現している遺伝子の全レパートリーを解析。
その結果、本来は植物ではないラパザの核ゲノムに、葉緑体の機能に関わる多数の遺伝子が存在し、これらがタンパク質を作って葉緑体の内部に送り込んでいることが分かりました。
さらにその遺伝子の多くは、葉緑体のドナーであるテトラセルミスとはまったく別の様々な「植物」の仲間からバラバラに獲得されていることが示されたのです。
こうした盗葉緑体の制御の仕方は異例中の異例だといいます。
ラパザはその後、盗葉緑体の獲得から1カ月強で死滅しました。
本研究の成果からチームは次のように述べています。
「ラパザは私たちが探し求めていた葉緑体獲得の途上にある生物の特徴を示し、”植物”が如何にして誕生・進化したかを理解する上で極めて重要な発見です。
ラパザは葉緑体の獲得進化の過程に直接アプローチできる画期的な研究材料だと言えるでしょう」
太古の昔に失われてしまったと考えられていた、生物が植物へと進化する現場をラパザは現代に保存し続けているようです。
進化のタイムカプセルのようなこの存在は、今後生物研究にどのような発見をもたらすのでしょうか。
どうすれば植物になれるのか？ ～奪った葉緑体で生きる驚異の細胞ラパザから葉緑体の進化に迫る～
https://www.kobe-u.ac.jp/research_at_kobe/NEWS/news/2023_04_11_01.html
元論文
Euglenozoan kleptoplasty illuminates the early evolution of photoendosymbiosis https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2220100120
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