国立研究开发法人海洋研究开发机构
国立大学法人东京大学
国立研究开发法人理化学研究所
国立大学法人冈山大学
国立研究开发法人科学技术振兴机构（JST）
◆发表要点
- 根据生活在红树林等各种环境中的氰基细菌的大规模基因组数据，发现了与光合作用不同的光利用系统“微生物型罗德普辛”的新组，命名为“氰基罗德普辛-II（CyR-II）”。
- CyR-II分为绿色光型和黄色光型两种类型，绿色光型来自红树林海洋微生物垫，黄色光型来自沉积物和土壤，来自不同的栖息环境。由此可以认为，通过获得利用波长不同CyR-II，氰基细菌适应了各自的光环境。
- 通过详细的基因组分析，发现氰基细菌除了CyR-II以外，还通过基因水平传播获得了各种罗德普辛，并进化而来。本研究表明，在进化过程中获得的罗德普辛为氰基细菌带来了新的光利用策略。
国立研究开发法人海洋研究开发机构（理事长大和裕幸，以下简称“JAMSTEC”） 由超先进研究开发部门的长谷川万纯博士后医学研究员及生命理工学中心的西村阳介研究员和中岛悠特任研究员、东京大学研究生院新领域创成科学研究科/大气海洋研究所的吉泽晋副教授、理化学研究所的白水美香子项目负责人和保坂俊彰技师等，冈山大学的须藤雄气教授和小岛慧一讲师等组成的研究小组，通过网罗性地探索从多种环境中得到的大规模的元基因组数据，作为最古老的光合成生物而闻名。我们发现了一组新的利用系统“微生物型胰蛋白酶（以下简称“胰蛋白酶”），并将其命名为“唾液型胰蛋白酶-II（CyR-II）”。
作为岛国的日本，可以享受各种各样的海产品。支撑孕育这些的“海”生态系统的是以蓝细菌和藻类为首的进行光合作用的微生物。他们通过光合作用将太阳能转化为化学能，并将使用该能量产生的有机物带来生态系统。但是在2000年代，为了将太阳光能转换为化学能，在不进行光合作用的海洋细菌中发现了与光合作用完全不同的系统“微生物型罗德普辛（以下简称罗德普辛）”，因此比以往想象的还要多种微生物可以利用光。并且，根据此后的遗传因子解析技术的发展，以海洋为首，淡水，温泉等各种各样的环境生息的微生物蔓延的事变得清楚了。
我们的小组到现在为止，进行光合作用的氰基细菌也报告着有rodopusin基因，那个多数生活在淡水环境的事，并且只有氰基细菌有的rodopusin小组「氰基rodopusin（CyR）」（Hasegawa et al.2020）。CyR通过使用光能从细胞内向细胞外排出氢离子（H+）来产生化学能。另外，CyR利用了光合作用不利用的绿色光，因此具有CyR的氰基细菌使用“光合作用”和“罗德普辛”两者，有效地利用了光。（参照东京大学大气海洋研究所・研究话题1）
但是，“氰杆菌的罗得普辛能利用的光只有绿色吗？”“海洋的氰杆菌真的没有罗得普辛吗？”等，对氰杆菌所具有的罗得普辛的多样性不太清楚。在这样的背景下，这次，我们的小组以从各种各样的环境得到的元基因组信息为对象，进行了氰基细菌所具有的罗德普辛基因的探索。结果发现了只有氰杆菌才有的新的罗德普辛组，命名为“氰罗德普辛-II（CyR-II）”。
调查了CyR-II的功能的结果，CyR-II和CyR一样，使用光能从细胞内向细胞外排出氢离子（H+）。另一方面，调查了CyR-II吸收的光的波长，CyR-II有利用绿色光的和利用黄色光的两种类型。从蛋白质的构造调查了产生这样的利用的光的颜色的差异的原因，发现了与视黄醇内结合的视黄醇色素周边的一点点的构造的差异是原因。
并且，CyR-II利用的光的颜色的差异，与拥有CyR-II的氰基细菌的生息环境有密切的关系。利用绿色光的CyR-II分布在红树林和沿岸的微生物垫·生物膜上，利用黄色光的CyR-II分布在堆积物和土壤上。由此可以认为，通过获得利用波长不同的CyR-II，氰基细菌适应了各自的光环境。
另外，本研究的详细基因组分析显示，氰基细菌除了CyR-II以外，还通过基因水平传播获得了各种罗德普辛，并进化而来。这一结果推翻了2020年“海洋中的蓝细菌没有罗德普辛”的见解，可以说是以从红树林等汽水区域和沿岸区域到远离陆地的外洋，从各种各样的海洋环境中得到的蓝细菌的基因组信息为对象而发现的。特别是在海洋环境中，与外洋相比，罗得普辛在沿岸生活的氰基细菌中更多，带来了沿岸生态系统光利用机构的新视角。此外，研究人员还发现，与单体细胞生活相比，带有胰蛋白酶的氰基细菌更多的是细胞呈丝状相连或形成群体。通过形成丝状和群体，与其他细胞的距离变近，可以认为细胞之间会产生光的争夺。光能利用rodopsin可能有助于在与他人争夺光线的环境中生存。这些发现表明，蓝细菌在进化过程中，通过罗德普辛获得了新的光利用战略，从而适应了各自的生存环境。
迄今为止的研究表明，蓝细菌为了适应各种光环境，使光合机制多样化。这次的发现，在蓝细菌的进化及其环境适应的轨迹中，存在一种叫做“罗德普辛”的新的关键玩家，提倡蓝细菌通过获得“罗德普辛”适应了各种各样的光环境。
本成果将于11月1日（日本时间）刊登在微生物生态学国际杂志《The ISME Journal》上。另外，本研究的一部分是科学研究费补助事业（JP19J21582、22KJ3197、JP17K07324、JP20H05450、JP21H02446、JP15K14601、JP22H00557）、制药等尖端技术支援基础平台（BINDS）的支援（JP23ama121001（支援编号1455、1463）及JP23ama121013）、文部科学省“海洋生物大数据活用技术高度化”由JPMJPR23G9）及ACT-X（JPMJAX21BK）支援实施。
■论文信息
题目：Cyanorhodopsin-II represents a Yellow-Absorbing Proton-Pumping Rhodopsin clade within Cyanobacteria.
著者： 长谷川万纯1*、保坂俊彰2、小岛慧一3、西村阳介1、栗原真理恵4、中岛悠1、桂芳子2、染谷友美2、白水美香子2、须藤雄气3、吉泽晋5,6,7*
1. 海洋研究开发机构，2.理化学研究所生命机能科学研究中心3.冈山大学学术研究院医齿药学域，4.冈山大学研究生院医齿药学综合研究科，5.东京大学大气海洋研究所，6.东京大学研究生院新领域创成科学研究科，7.东京大学微生物科学创新合作研究机构
*共同责任著者
DOI: 10.1093/ismejo/wrae175
＜详细发表内容＞
发现最古老的光合生物“氰基细菌”的新的光利用系统——罗得普辛的环境适应轨迹明确―
＜咨询＞
（本研究相关）
国立研究开发法人海洋研究开发机构
超先进研究开发部门 博士后研究员 长谷川万纯
电话：046-867-9661
国立大学法人东京大学 研究生院新领域创成科学研究科/大气海洋研究所 海洋生态系科学部门
副教授 吉泽晋
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