2021.06.04
ツボカビに狙い撃ちされる植物プランクトン －集中的多重感染－ ～植物プランクトンへのツボカビ寄生における集中的感染パターンの解明～
龍谷大学先端理工学部 三木健教授らの国際研究グループが
数理モデリング・揮発性有機化合物測定を統合した分析手法を開発
有害藻類制御や生態系評価分野への波及を期待
【本件のポイント】
湖の植物プランクトンに広く見られるツボカビの寄生について、プランクトンの集団の中にツボカビ寄生の集中する個体が存在することを発見しました。さらにこの集中的感染パターンが生じる機構を明らかにするための分析手法を開発しました。今回の結果は、淡水生態系においてツボカビ感染症が介在する物質循環の評価精度の向上や、有害植物プランクトンの発生制御、さらには有用微細藻類の感染症流行防止対策への応用が期待できます。
【研究チーム】
龍谷大学 先端理工学部／三木健 教授
近畿大学 農学部／米谷衣代 講師
横浜国立大学 環境情報研究院／鏡味麻衣子 教授
ライプニッツ淡水生態学・内水面水産研究所（IGB,ドイツ）／Hans-Peter Grossart教授・Silke Van den Wyngaert博士
【概要】
ツボカビ（ツボカビ門に分類される真菌類）は自然界、主に淡水の生態系に広く分布し、種によりプランクトンや花粉などの有機物に寄生し、生命をつないでいます。15年ほど前には両生類に寄生するカエルツボカビ感染症として注目されましたが、近年はツボカビの自然界における生態学的役割の解明とその応用に関心が集まっています。
本研究では、植物プランクトン（以下、プランクトン）に寄生するタイプのツボカビを扱いました。ツボカビはプランクトンに寄生すると、その細胞質を吸い取って成長し、水中を泳ぐ胞子である遊走子を放出してまた新たな宿主を求めます。そのため寄生されたプランクトンは死に至ります。このように致死的な寄生を引き起こすツボカビは、プランクトンの増減を決める要因であると同時に、湖におけるエネルギーの流れを担う重要な菌類です。ツボカビに寄生されたプランクトンは死に至る前に同じ種類のツボカビに何度も繰り返し寄生されること、つまり「多重感染」することが広く知られていました（図１）。しかし、多重感染の程度や機構に注目した研究はいままでありませんでした。
図１．植物プランクトンのイタケイソウの仲間（Ulnaria sp.）に寄生したツボカビ（Rhizophydiales sp.）が成熟し、胞子嚢（のう）になったところ。細胞の左端付近に二つの大きな胞子嚢が見られ、細胞の右側にも小さな胞子嚢が少なくとも4つ見られます。これらの胞子嚢の数から少なくとも6回の寄生が生じたことが分かります。周りに見える粒々は水中を泳ぐツボカビの遊走子（胞子）。
（写真提供：横浜国立大学・瀬戸健介博士）
今回、寄生実験において観測された多重感染の数は、プランクトンとツボカビの接触がランダムに繰り返されたときに想定される数（図2の破線）よりも大きく、一部のプランクトン個体に寄生が集中していることが明らかになりました（図２）。多重感染度の高い個体は新たな寄生を引き起こす力が他の個体よりも大きいと予想され、感染症拡大の新たな起点になる可能性があります。このような特別な個体の存在は人間や動物における様々な感染症でよく知られた現象ですが、植物プランクトンを起点とする湖の食物連鎖では初めての発見です。
この集中的な感染パターンをより良く理解するために、「一度寄生した個体はさらに寄生しやすくなる」という新しいメカニズムを取り入れた数理モデルを構築したところ、寄生実験における多重感染数を定量的に再現できることがわかりました（図２の青線）。さらに、プランクトンから放出される香り物質（揮発性有機化合物、VOC）の成分比には、〔ツボカビ寄生の有無〕や〔プランクトンの種〕によって違いがあるため、その差がプランクトンとツボカビの〔接触しやすさ〕や〔寄生しやすさ〕に影響を与えている可能性も示唆されました。そうであるならば、寄生されたプランクトンが放出する特有の香り物質により、ツボカビが引き寄せられることで多重感染するとも考えられるのです。
図２．イタケイソウにおける多重感染数の分布．植物プランクトンとツボカビの接触がランダムに繰り返されたとしても多重感染は起きますが、ランダムな接触から想定されうる場合（図の破線の曲線）よりも、数多くの多重感染（黒丸が実際に観測された細胞数）が観測されました。この観測パターンは、今回開発した数理モデルによって得られた新たな分布関数（青線）でよく説明できることが分かりました。
多重感染の発生機構についての今後の更なる研究により、湖における物質循環の評価精度の向上や、ツボカビによる植物プランクトンへの致死効果の応用が期待できます。たとえば、アオコの原因となる藍藻類、貝毒を産生する渦鞭毛藻類などといった有害・有毒植物プランクトンに寄生するツボカビが発見されており、その抑制に有効かもしれません。また、バイオ燃料やサプリメントなどの応用分野において注目を集める有用微細藻類の大量培養におけるツボカビ感染症流行防止対策などの重要な知見になりえます。
文章作成協力：森上需 氏
■発表論文について
英文タイトル：Non-random patterns of chytrid infections on phytoplankton host cells: mathematical and chemical ecology approaches
和 訳：数理生態学・化学生態学アプローチを用いた、植物プランクトン宿主細胞へのツボカビ感染の集中感染パターンの発見と分析
掲載誌：Aquatic Microbial Ecology （https://doi.org/10.3354/ame01966）
U R L ：https://www.int-res.com/abstracts/ame/v87/
（オープンアクセスCC-BY 4.0 International）
著 者：米谷衣代、三木健、Silke Van den Wyngaert、 Hans-Peter Grossart、鏡味麻衣子
■問い合わせ先
龍谷大学先端理工学部環境生態工学課程 教授 三木 健（みき たけし）
ＴＥＬ 077-544-7111 メール tksmiki@rins.ryukoku.ac.jp
ＵＲＬ https://sites.google.com/view/quantitative-ecology-lab/home/