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Oct 11, 2023

脂質貯蔵量からサンゴの状態が明らかになる

Comunicazione ISME Volume 3,

ISME Communications volume 3、記事番号: 29 (2023) この記事を引用

1247 アクセス

9 オルトメトリック

メトリクスの詳細

世界中のサンゴ礁は環境ストレスによって脅かされています。 サンゴの覆いの目に見える減少は、主にサンゴの共生の破壊が激化していること、「白化」として知られるプロセスによるものです。 活性酸素種 (ROS) の過剰生成は、環境ストレスにより ROS 発現の増加につながるサンゴの白化の主な原因と考えられています。 ROS 損傷と共生生物の状態との関係を調べるために、共焦点顕微鏡と顕微鏡を使用して、3 つのサンゴ種の個々の内部および元共生藻類細胞の脂質貯蔵庫における ROS 損傷の普遍的な形態である脂質過酸化 (LPO) を測定しました。脂質ヒドロペルオキシド感受性蛍光色素。 私たちは、LPO が内部共生細胞でより高いのに対し、脂質量は元共生細胞でより大きいことを発見しました。 クラスター分析により、内部共生細胞 (#1: 高 LPO、低脂質) と元共生細胞 (#3: 低 LPO、高脂質) を区別する 3 つの代謝プロファイルが明らかになり、中間グループ (#2) には両方の細胞タイプが含まれています。 熱ストレスにより、Pocillopora acuta の内部共生細胞がクラスター #1 から離れました。これは、このクラスターが健康で安定した共生状態にある細胞を表すことを示唆しています。 私たちの研究は、サンゴの共生を評価する新しい手段を提供し、脂質貯蔵量と組み合わされた共生生物のLPO比が細胞レベルでの共生状態の強力な代謝マーカーであることを実証しました。

スクラクチニアンサンゴはサンゴ礁の基礎を形成しており、その生態学的成功は、シンビオディニア科 [2] に属する単細胞の共生藻類 [1] との相互作用のおかげです。 藻類とその宿主との細胞内関係により、サンゴは 2 億年以上にわたって熱帯の栄養の乏しい水域で繁栄することができました [3]。 共生では、刺胞動物の宿主が従属栄養生活様式に由来する減少した窒素やその他の栄養素を藻類に提供する一方、共生藻類は光合成で生成された炭素を提供することで宿主の代謝をサポートします[4,5,6]。 この関係の複雑さと、最近まで [7]、個々の機能的共生単位 (つまり、内部共生生物を含む無傷の宿主細胞) での in vitro 実験を行うことができなかったため、共生相互作用を維持する基本的な細胞機構に関する我々の知識は以下のとおりです。宿主組織からの藻類の共生生物（宿主によって開始されるか共生生物によって開始されるかに関係なく）の選択的排除を裏付けるものはまだ不足している。

費用対効果の調節機構 [9] の一部として、サンゴはおそらく窒素制限 [10] によって成長速度を制限し、成長と分裂の際に過剰な共生生物細胞を消化または排出することによって、組織内の共生生物の密度を制御しています。 1、11]。 しかし、共生生物の排除は、共生生物、宿主、またはその両方のパートナー内で代謝の不安定性を引き起こす不利な条件に反応して起こることもあります。 これは、低温 [12] または高温および/または強い光 [13,14,15]、暗闇 [16]、溶解有機炭素の利用可能性の増加など、排出速度を増加させる多数の環境摂動から明らかです。グルコース [17]、リン酸制限 [18]、塩分濃度の低下 [19] など。 サンゴ組織からの共生生物とその光合成色素の過剰な損失は、「白化」として知られるプロセスであり、サンゴは共生藻類によって生成されるエネルギーを受け取らなければ代謝を維持できないため、しばしば致命的です。 ここ数十年、高温による白化が、世界中でサンゴ礁の健全性と範囲を低下させる主な原因となっている[20]。 白化を引き起こす環境要因については確立された知識があるにもかかわらず、サンゴの共生を悪化させる細胞の引き金や、その引き金がどのパートナーから生じるのかについてはほとんどわかっていません。

真核細胞では、生理的ストレス時の代謝の不安定性により、代謝プロセスによる生成と消光の間の不均衡により、細胞内の活性酸素種 (ROS) レベルが増加する可能性があります [21]。 適切に制御されない場合、ROS は DNA、タンパク質、脂質の酸化を通じて細胞内部の成分に損傷を与える可能性があり [22]、極端な場合にはアポトーシスや細胞死を引き起こします。 サンゴ礁は光と温度が高い環境が多いため、光合成機構は特に ROS の生成と損傷を受けやすい [23]。 このため、サンゴの共生関係の悪化における共生生物の光合成ストレスの役割は、長い間サンゴの白化研究の主な焦点であり[14、24、25、26]、熱で損傷した光化学系で生成される過剰なROSが提案されている。宿主細胞に漏出して共生の崩壊を開始します[27、28]。 熱および光誘発性の漂白プロセスにおける ROS の関与は、共生生物の排除の増加に伴う共生生物および宿主における細胞 ROS 損傷および/または抗酸化物質の増加の相関観察を示す多数の研究によって支持されています [15、29、30]。 しかし、最近の研究では、宿主細胞自体で生成される ROS の役割を指摘する証拠により、ROS の起源に疑問が投げかけられています [31、32]。 重要なのは、観察された反応の多様性は、共生関係の崩壊につながる可能性のある多数の経路を明らかにしており、それは異なるストレス要因に対する各パートナーの回復力に依存している可能性が高いということです。

本研究では、サンゴ組織からの内部共生藻類細胞の排除における代謝不安定性の潜在的な役割を調査することを目的としました。 我々は、過剰な ROS 産生とそれによるサンゴ内部共生生物および元共生細胞（サンゴ組織内にあるが宿主膜に包まれていない藻類細胞）内の代謝不安定性の尺度として、個別の脂質体の過酸化レベルを調査しました。 脂質過酸化（LPO）と脂質ヒドロペルオキシドの形成は、細胞 ROS の増加の一般的な結果であり、このため、LPO は生細胞における ROS 損傷の高感度の指標と考えられています。 我々は、内部共生藻類細胞では元共生生物と比較して脂質体の過酸化レベルが高く、熱ストレスによりLPOの高い内部共生生物の割合が減少することを発見し、LPOが高いことが活発な共生の兆候であることを示唆した。 これらの発見に基づいて、我々は、サンゴ内部共生藻類における脂質蓄積に対する LPO の比率は共生状態の強力な指標であり、この代謝マーカーは将来の研究で共生崩壊の主要な特徴を調査するために使用できると主張します。

枝状サンゴである Pocillopora acuta、Porites compressa、Montipora capitata (直径約 15 cm) の 4 つの個々のコロニーの断片が、ココナッツ島 (モク オ ロエ島) 沖の礁原 (少なくとも 10 m の間隔、深さ約 1 m) から収集されました。 ）ハワイ、オアフ島のカネオヘ湾。 サンゴは、研究期間中、屋根付き（50％遮光布）の屋外流通テーブル（容積～130 L、深さ～15 cm）内で、湾水（～5 cm）を継続的に供給しながら（断片全体として）保管されました。 L分−1）。 2018 年 5 月の調査中、湾の水温は 23.5 ～ 25.5 °C の範囲でした (http://www.pacioos.hawaii.edu/weather/obs-mokuoloe/)。

個々のサンゴの断片（長さ約 2 cm）は、処理と分析の直前にそれぞれの母コロニーから切り取られました。 サンゴコロニーの生理学的状態（すなわち、日周期）の一貫性を確保するために、サンプリングは午後 12 時から午後 2 時の間に実施されました。以前に記載されているように、すべての断片を蛍光分析のために処理しました [33]。 簡単に説明すると、サンゴの破片を、濾過した海水 3 mL が入った 50 mL ファルコンチューブに入れ、硬い表面に叩きつけて胃皮細胞を放出しました (この抽出方法の詳細については、参考文献 [33] および SI を参照)。 続いて、得られた組織スラリー 1.5 mL をエッペンドルフ チューブに移し、穏やかに遠心分離し (約 30 RCF、30 秒間)、続いて上清を除去し、0.2 μm 濾過海水 (FSW) 1.0 mL に再懸濁しました。 記載のとおり 2 回目の洗浄後、残りの細胞を 0.5 mL の FSW に再懸濁し、蛍光色素 (Image-iT® Lipid Peroxydation Kit、ThermoFisher Scientific、USA) を最終濃度 10 μM まで添加しました。 インキュベーションは、暗所、25℃の培養キャビネット内で20分間実施した。 最後に、細胞を FSW で 2 回洗浄して過剰な色素を除去し、穏やかに遠心して (約 30 RCF で 30 秒間)、50 μL の FSW に再懸濁し、すぐに共焦点顕微鏡で分析しました。 標的細胞には、「元共生」藻類細胞、つまりサンゴ組織内から抽出されたが視覚検査によって確認された宿主細胞に包まれていない（つまり、もはや共生していない）藻類細胞と、2つの内部共生藻類を保有する腹皮宿主細胞が含まれていました（画像処理中に単一の元共生細胞からの視覚的な識別を容易にするため）。

サンゴ組織から抽出された元共生生物の脂質プロファイルが完全に排出された藻類細胞の脂質プロファイルと同等であることを検証するために、ハードコーラル Pocillopora acuta から排出された藻類細胞を 3 つのコロニーの短期間の熱処理によって取得しました。 コロニーを、対照と同様の光照射野を確保するために、サンゴの維持に使用されるフロースルーテーブル（維持されているサンゴの下流）の内側に配置された水槽（50 L）に配置しました。 処理タンク内の水は新鮮な海水で継続的に補充され（約 1 L min-1）、2 つの 30 W 水槽ヒーターを使用して 3 日間かけて約 30 °C まで加熱されました（約 1.5 °C/日）。 排出された共生細胞は、各サンゴの破片を、予熱し、0.2 μm で濾過した海水を入れた 0.4 L プラスチック ビーカーに入れることによって収集されました。 ビーカーを処理水槽内で 3 時間浮かべた後、サンゴの破片を除去し、穏やかな真空を使用して水を個々の 5 μm フィルターで濾過しました。 濾過した細胞を直ちに 4 mL の濾過海水に再懸濁し、上記のように蛍光染色のために遠心沈殿させました。

内部および元共生生物の脂質貯蔵量の LPO に対する熱ストレスの影響は、同様にハワイ海洋生物学研究所 (HIMB) で実施され、以前に発表された別の研究のデータに基づいて調査されました [33]。 本研究の目的のために、データは新しいデータ (以下を参照) と同じ方法論を使用して再分析され、これまでに説明されていない詳細を新しいコンテキストでここに示します。 以前の研究のサンプリング、メンテナンス、およびイメージング方法の詳細な説明は、Nielsen et al. に記載されています。 [33] および関連する SI。 簡単に説明すると、ハワイ州オアフ島カネオヘ湾のココナッツ島周辺のサンゴ礁原 (深さ約 1 m) から Pocillopora acuta の 3 つのコロニーが収集され、日陰でメソコスモスを流れる場所で維持されました (体積: 3 m3、流量: ~180 L h- 1、光: 日中の最大 ~400 μmol 光子 m−2 s−1、自然の昼夜の光サイクル)。 サンゴの破片の 1 セットは温度を 27 °C 以下に維持するために冷却され、2 番目のセットは毎日加温 (27 °C から 31 °C まで自然に変動する昼夜のサイクル) にさらされ、3 週間の孵化で結果が得られました。組織共生生物密度が約 50% 減少します (漂白)。 細胞のインキュベーション、サンプリング、および分析は、本研究で説明したように実行されました。

BODIPY® 581/591 C11 試薬に基づくレシオメトリック蛍光色素 Image-IT™ を使用して、藻類細胞内の脂質体の過酸化状態を検出しました。 メーカーによれば、この試薬はすべての脂質膜に局在し、脂質ヒドロペルオキシドによる酸化によりピーク蛍光発光のシフトを示します（還元脂質 ex/em: 581/590、酸化脂質 ex/em: 488/510）。 この色素は細胞内で強く結合し、pH 非感受性で、光に対して非常に安定です [34]。 染色された細胞は、以前に詳述したように[33]、温度制御環境チャンバー（Incubator Xl S Examiner、Zeiss、オーバーコッヘン、ドイツ）を備えた共焦点蛍光顕微鏡（LSM 710、Zeiss、オーバーコッヘン、ドイツ）を使用して分析した。 2 つの藻類共生生物 (識別を容易にするため) と元共生生物 (非共生だがサンゴ組織内にある) を含む内部共生胃胚葉細胞を明視野下で視覚的に位置特定し、その後 630 倍 (Zeiss Plan-apochromat 63x/1.40 Oil DIC M27 レンズ) で画像化しました。 ）。 蛍光イメージングは​​、固定された収集範囲とレーザー強度（ピンホール サイズ：1.51 AU、画像解像度：512 × 512 px [135 × 135 μm]、ピクセル滞留時間 1.58 μs、平均化なし、Z 厚さ ~1.0 μm)。 蛍光染色の場合、未染色の対照細胞を使用して、いずれかの蛍光チャネルにおける自己蛍光を最小限に抑えるように露光時間を調整しました。 すべての場合において、自己蛍光は、蛍光染色の強度に比べて無視できる程度でした。

各細胞内の脂質体の検出、定量、および蛍光測定は、ImageJ/Fiji のカスタム マクロを使用して実行されました [35、36] (方法の詳細な説明については、SI を参照)。 抽出されたすべての画像データは R を使用して分析されました [37]。 各脂質体の蛍光比（酸化/還元）が計算され、各細胞内のすべての脂質体の平均蛍光比がさらなる分析に使用されました。 レシオメトリックなアプローチを使用することにより、細胞または脂質体内の色素濃度の変動による測定値の潜在的なバイアスが排除されました。 細胞あたりの総脂質体体積の推定値は、細胞内のすべての脂質体 ROI の面積の合計に画像層の焦点厚さ (約 1 μm) を掛けたものとして生成されました。 内部共生細胞の場合、1 つの胃胚細胞内の 2 つの細胞の平均が 1 つの測定値として表示されます。 藻類の共生細胞で時々見られる大きくて丸く蛍光性の高い封入体は、手動キュレーションに基づいた固定サイズ範囲と蛍光比カットオフを使用してデータセットから除外されました。

すべての分析は、R Statistical Software (v4.1.2; R Core Team 2021) を使用して実行されました。 この研究の焦点は、サンゴ種内の細胞型間の生理学的変化を理解することであり、種間のパターンをより適切に比較するために、すべてのデータは種ごとのそれぞれの内部共生細胞の値の平均に正規化されました。 比較用のデータは、Shapiro-Wilk 検定と Levene 検定をそれぞれ使用して、正規性と等分散性がチェックされました。 仮定を満たさないデータは、統計検定を実行する前に、対数または平方根変換され、qqplot を使用して正規分布が検証されました。 細胞型間の差異は、R パッケージ「lme4」[38] の lmer 関数を使用し、制限付き最尤法 (REML) を使用してパラメータを推定し、コロニーの平均値とランダム因子としてのコロニーに関する線形混合効果モデルを使用して分析しました。 複数のグループを含む分析の場合、R パッケージ lmerTest [39] の分散関数を使用して、分母自由度および F 統計量のサタースウェイト法を使用した固定効果項の分散分析表が生成されました。 データは P < 0.05 で有意であるとみなされました。 クラスター分析は、R パッケージ「クラスター」[40] の K 平均法アルゴリズム (ユークリッド距離) を使用して実行されました。 クラスターの最適な数は、R パッケージ「factoextra」[41] の fviz_nbclust 関数を使用した 100 個のモンテカルロ ブートストラップ サンプルによる「平方和内の合計」、「シルエット」、および「ギャップ統計」を使用して評価されました。

使用した脂質過酸化感受性色素の親油性が高くレシオメトリックな性質 [34] は、蛍光共焦点顕微鏡を使用して、過酸化レベルを測定できるだけでなく、貯蔵された脂質の総量 (酸化および還元、結合) を評価できることを意味しました。個々の藻類細胞内で。 他の脂質膜は ROS 生成の起源に近いため、葉緑体のチラコイドにある脂質貯蔵体などの脂質貯蔵体よりも過酸化を受けやすい可能性がありますが、空間的に異なるため、LPO を評価するために脂質体に焦点を当てることにしました。離散的な性質と蛍光色素からの強い信号により、画像処理中に明確な描写が可能になり、それによって測定の感度が高くなります。

ハードサンゴのミドリイシ ミドリイシに関する以前の研究結果 [42] と同様に、平均して、元共生細胞 (つまり、非共生細胞) には内部共生細胞と比較して、より多量の脂質 (脂質体として) が含まれていることを発見しました ( M. capitata: T(4) = 2.97、P = 0.041; P. compressa: T(2) = −20.74、P = 0.0023; P. acuta: T(4) = −6.32、P = 0.0032)。 この研究では2つの内部共生細胞を持つ宿主細胞のみが分析に含まれていましたが、単一共生宿主細胞内の内部共生細胞は二重内部共生細胞と同様の脂質プロファイルを示し（補足図S1および関連結果）、内部共生細胞で観察された低い脂質含有量が確認されました。提示されたデータは、病院内での藻類細胞の最近の分裂の結果ではなく、我々が「元共生生物」と呼んだ細胞は、処理中に宿主細胞から機械的に破壊された藻類細胞ではなかった。 元共生細胞がサンゴのコロニーから排出された細胞の代表であることをさらに検証するために、元共生細胞の脂質プロファイルをPocillopora acutaの同じコロニーから得られた排出細胞と比較しました（補足図S2および関連結果）。 これらのデータは、元共生生物の脂質プロファイルが、脂質含有量と LPO 比の両方の点で、宿主サンゴから排出された細胞の脂質プロファイルと類似していることを確認しました。 最後に、脂質含有量と共生ソーム膜蛍光との間に強い負の相関関係が見つかり（R2 = 0.37、 P < 0.0001、補足図S3および関連結果）、共生関係の喪失が脂質含有量の増加と相関していることが確認されました。 これらのデータから、サンゴ組織内で発見された元共生藻類細胞は、共生後の状態にあり、サンゴ群体から排出される過程にある藻類であると確信しています。

予想に反して、環境ストレスのない条件下では、内部共生藻類細胞は、元共生細胞よりも脂質体中のLPOレベルが高い(過酸化脂質と非過酸化脂質の比率として表示)ことを発見しました。 この差は 3 種すべてで一致しました。M. capitata (T(2) = −4.852、P = 0.040)、P. compressa (T(2) = −43.391、P = 0.00053)、P. acuta (T(2) ) = −5.972、P = 0.0094) (図1c、d)、このパターンは系統発生的に異なるサンゴ種の範囲にわたって保存されていることを確認しています。 これらのデータは、内部共生藻類細胞は、宿主から排出された、または排出されている藻類細胞よりも脂質体あたりの ROS 圧力が高いことを示唆しています。 一定レベルの ROS 圧 (同様の代謝活性またはストレス) では、純粋に脂質に対する ROS が高い結果として、脂質貯蔵量が少ない細胞は、脂質貯蔵量が多い細胞に比べて脂質分子あたりの酸化が進むことが予想されます。この比率は、ここで観察された共生生物の状態間の LPO の違いを少なくとも部分的に説明する可能性があります。 ただし、一般化最小二乗モデルを使用して細胞型内の脂質体積と LPO 比の関係を比較すると、最高スコアモデル (最低 BIC) には、予測変数として脂質体積と細胞型の両方が含まれており (補足表 S3 を参照)、脂質含有量とLPO比の関係は2つの細胞型で異なり、内部共生細胞は同様の脂質量でより高いLPOを示しました（補足図S4および関連結果）。 これらの結果に基づいて、またこれらのデータが良性の環境条件下で得られたものであることを考慮すると、内部共生生物で観察される高レベルの LPO はストレス関連の ROS 産生の結果ではなく、むしろ一般的な代謝の一部として産生される ROS であると提案します。細胞の活性（呼吸と光合成）。藻類細胞は宿主細胞の代謝要求を満たすために機能するため、共生状態ではおそらくより高いと考えられます。 この仮定は、熱ストレスがハードコーラル ミドリイシ ミドリイシの内部共生藻類の光合成能力を低下させ[42]、共生生物のエネルギー代謝に関連するタンパク質の量を減少させることが示された我々の以前の研究によって裏付けられている[43]。 まれなケース（観察された細胞の約 0.5%）では、宿主細胞が実質的に異なるレベルの LPO を持つ 2 つの共生生物を保持していることが判明しました。 1 つの共生生物は元共生生物と同様の代謝プロファイルを持っています（補足図 S5c を参照）。 これらの二重 LPO プロファイル細胞の発生率が低いことは、宿主細胞が 1 つの共生生物の生理機能の変化を検出したとき、または共生生物によって誘導されて、その共生生物を急速に排除し、この二重のシナリオが短命となり、それによって困難になることによって説明される可能性があります。キャプチャします。 あるいは、一般に、共有宿主細胞内の複数の藻類細胞が同じ生理学的状態にあることがより一般的である可能性がある。 しかし現時点では、宿主が個々の共生生物を選択的に排除できるかどうかは不明である。

それぞれの内部共生生物の平均に対する脂質の体積をコロニーの平均値で重ね合わせたもの（茶色の形状）。 b すべての内部共生細胞 (白い領域) と元共生細胞 (灰色の領域) の脂質体積の密度グラフ。 c それぞれの内部共生生物の平均に対する脂質過酸化比。コロニーの平均値を重ねて表示。 d すべての内部共生細胞（白い領域）と元共生細胞（灰色の領域）それぞれの脂質過酸化比の密度グラフ。 各種の内部および外部共生生物のサンプル画像（共焦点画像スタックの最大投影）。 白い線はサイズ約 10 µm を示します。 赤: 藻類細胞のクロロフィル自家蛍光。 黄色: LPO (緑色/黄色) 比が低い脂質体。 エラーバーは 1 SE を示します。 星印は、グループ比較の有意水準を示します (n = 3 ～ 5) (* P < 0.05; ** P < 0.01; *** P < 0.001)。

サンゴ共生生物における LPO の役割は、あるとしても現時点では不明です。 リポキシゲナーゼ (LOX) やシクロオキシゲナーゼ (COX) などの酵素による制御された脂質過酸化は、脂質体内の貯蔵エステル脂質へのアクセスを可能にし、その後代謝される可能性のある脂肪酸を遊離することで、植物の胚や子葉の脂質貯蔵の動員を助けることが示されています。ミトコンドリア内のβ酸化による[44,45,46]。 したがって、LPO は、活発な共生中に宿主への輸送のために脂質体からの炭素の放出を促進する可能性があります。 また、多価不飽和脂肪酸の酵素的過酸化から生成される重要なシグナル伝達分子である共生生物由来のオキシリピンが、宿主遺伝子発現の変化を直接引き起こすことによってサンゴの共生維持に役割を果たしている可能性があることが最近示唆されている[47]。 しかし、サンゴ共生生物における LPO とのそのような関連性はまだ調査されていない。

藻類細胞の脂質状態の明確なグループ分けは、3 つのクラスターが検出されたクラスター分析によって確認されました。クラスター 1、2、および 3 内の (endo:ex) の割合はそれぞれ 90:10、34:66、および 0:100 (緑色) 、青と赤;図2)。 観察されたグループ分けに基づいて、クラスター #1 は主に活性な内部共生藻類を表し、クラスター #3 は駆逐されたものの生理学的に活性な細胞を表すのに対し、クラスター #2 は死にかけている細胞 (脂質含量が低く、LPO が低い) または排出の直前または排出直後に存在する中間的な生理学的状態にあります。

プロットの色は、Kmeans クラスタリングによって識別されたグループを示します (緑色: クラスター 1 '内部共生'、青色: クラスター 2 '遷移'、オレンジ: クラスター 3 '元共生')。 形状は細胞の種類を示します（丸：内部共生、四角：元共生）。 円グラフは、各クラスター内の内部共生 (endo) 対元共生 (ex) 藻類細胞の割合を示します。 数字は、各細胞タイプの細胞の総数を示します。

これらの仮定の妥当性を評価するために、我々は、Pocillopora acuta に関する以前の熱ストレス実験から得られたデータを分析しました [33]。 これらのデータは、本研究で観察されたのと同じLPOと脂質含有量の関係を示しました（補足図S6および関連統計を参照）。細胞あたりの総脂質量は元共生生物の方が大きい一方で、LPO比は大幅に低く、さらに、このパターンの恒常性。 興味深いことに、LPO は熱ストレスによって増加しなかった。これは、内部共生生物と元共生生物の間の LPO の違いは、少なくとも P. acuta では、ストレスに関連した ROS 産生によって引き起こされるものではないという仮説を裏付けるものである。 個々の細胞のクラスター分析を使用して、熱ストレスがクラスター1の脂質プロファイル内の内部共生細胞の数を一貫して減少させることを発見しました（図3、個々の複製コロニーのプロットについては補足図S7も参照）。これは、クラスターがクラスター化されているという仮説を強く裏付けています。 1 は、共生状態にある健康な細胞またはストレスを受けていない細胞を表します。 最近の研究では、熱ストレスにより、サンゴミドリイシの共生生物においてエネルギー生産に関連する主要なタンパク質の割合が減少することが判明した[43]。 エネルギー代謝の低下は一般的な ROS 生成も減少させる可能性があり、これがここで観察された高 LPO 内部共生生物の割合の減少を説明できる可能性があります。 これらのデータはまた、健康な内部共生生物は代謝がより活発であることを示しており、したがって、環境ストレスが関与していなくても、内部共生状態から元共生状態に移行する際の LPO の低下を説明できる可能性があります。 ここでは、内部共生細胞の LPO と脂質含有量の変化の要因として熱ストレスのみがテストされましたが、健康なサンゴの内部共生細胞と元共生細胞の間に観察された明確な違いは、反応が一般的な性質のものである可能性が高いことを示唆しています。代謝変化の原因が重要です。 ただし、これについてはまだ調査が必要です。 サンゴの共生における脂質の重要性は、サンゴ Euphyllia glabrescens に関する以前の研究 [48] で強調されており、そこでは宿主の胃皮細胞および内部共生生物内の脂質体の蓄積の程度が、共生の見かけの健全性と相関することが示されています。熱ストレスによって変調される。 私たちの研究は、内部共生生物における脂質体の蓄積とLPOのパターンが、細胞レベルでの共生相互作用の差し迫った崩壊の指標として使用できることを示すことで、これらの観察を裏付け、さらに推進します。 共生関係の崩壊までおよび/またはその後に脂質が蓄積する理由は不明です。 しかし、これまでの研究では、未知の宿主放出因子の存在により、貯蔵化合物から余剰炭素を迂回させて藻類がグリセロールの生産を増加させることが示されている[49,50,51]。 共生関係が崩壊しつつある場合、この宿主放出因子の消失により、共生生物は代わりに余分な炭素を脂質として蓄積するようになる可能性があります。 最近の研究では、共生の崩壊に至るまで、宿主から共生生物への窒素供給の増加により、共生生物の代謝優先順位が成長と細胞分裂にシフトすることが示唆されている[52]。 窒素供給量の増加に伴い、その結果生じるC:N比の減少により、共生生物が継続的な成長に役立つ可能性のある過剰な炭素を保持するよう促し、体内に脂質体として貯蔵される炭素量の増加を引き起こすと考えられます。細胞。 一方、自由生活性のシンビオジニウムを含む藻類細胞は、窒素制限を受けると脂質貯蔵量を増加させることも示されており[53]、これは宿主細胞から排除された後に起こると考えられる。 いずれにせよ、藻類細胞内の脂質体の増加は、共生状態の喪失を示しているようであり、藻類における共生と脂質生成との関連についてのこれまでの観察を裏付けるものである。

形状はコロニーの複製を示します。 Nielsen らの生データ。 [33]。 図 2 と同様にクラスターが識別され、色付けされています。内部共生細胞のみが色付けされており、元共生細胞は灰色の白抜きの記号で示されています。 棒グラフは、各クラスター内の内部共生細胞の割合を示します。

提示された発見に基づいて、サンゴの内部共生生物は、比較的高い代謝活性と低い脂質貯蔵により、排出された共生生物と比較して高レベルの脂質体LPOを示すと我々は提案する。 予想に反して、LPO は試験した白化条件下ではストレスの指標ではなく、過剰な ROS 生成とは無関係に起こるサンゴの白化のさらに別の例を示しています。 私たちの結果は、脂質貯蔵量の増加とともにLPOの低下が、サンゴ内部共生生物の代謝プロファイルの変化を示す強力な指標であり、サンゴ共生の差し迫った崩壊を示す有用な細胞指標であることを示唆しています。 3 つの遠縁のサンゴ種にわたってこのパターンを検証することにより、これらの観察は系統発生学的に広範な関連性を持ち、それによってサンゴの共生状態を特徴付ける一般的に適用可能な代謝マーカーを表す可能性があることを示します。 単一細胞測定とクラスター分析の組み合わせにより、熱ストレスに起因すると考えられる、P. acuta における特定の代謝プロファイルの細胞の割合の小さいながらも明確な変化が明らかになりました。 このような微妙な効果は、バルク組織分析では簡単に見落とされ、平均的なコロニー反応では実際に検出できませんでした。これは、サンゴと藻類の共生の重要な生理学的メカニズムを明らかにするための単一細胞研究の強さと重要性を強調しています。 個々の共生および非共生サンゴ細胞を成長および維持するための組織培養技術の最近の進歩[7]と合わせて、この新しいマーカーは、サンゴの共生の維持と崩壊の根底にあるメカニズムを研究するための刺激的な機会を提供します。

現在の研究中に生成されたデータセット、および/または現在の研究中に分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。 原稿中の図のデータは補足資料data.xlsxに収録されています。

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このプロジェクトは、KP に授与された PADI 助成金 (28569) によって支援されました。 サンゴは米国の特別活動許可 2016-55 および 2019-23 に基づいて収集されました。 著者らは、ハワイ海洋生物学研究所（HIMB）でこの研究を後援した故ルース・ゲイツ教授に感謝の意を表します。

シドニー工科大学生命科学部、ウルティモ、ニューサウスウェールズ州、オーストラリア

ダニエル・アーグレン・ニールセン & カテリーナ・ペトロウ

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概念化、方法論、調査: DAN、KP; 正式な分析、視覚化、執筆 - 原案の準備: DAN。 執筆 - レビューおよび編集: DAN、KP; 資金調達、リソース: KP。

ダニエル・アーグレン・ニールセンへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Nielsen, DA、Petro, K. 脂質貯蔵は、単細胞レベルでのサンゴと藻類の共生状態を明らかにします。 イズムコミュ。 3、29 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s43705-023-00234-8

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受領日: 2022 年 11 月 30 日

改訂日: 2023 年 3 月 14 日

受理日: 2023 年 3 月 22 日

公開日: 2023 年 4 月 4 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s43705-023-00234-8

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