粘液菌類Phycomyces blakesleeanusとの性交配

Luke Stanley; Jesús  F. Peña

doi:10.3791/67790

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方法論記事

粘液菌類Phycomyces blakesleeanusとの性交配

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DOI:

10.3791/67790

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2025年6月6日

Luke Stanley¹ , Jesús F. Peña¹

¹Organismal Biology and Ecology Department, Colorado College

この記事について

サマリー

ここでは、 P. blakesleeanus の交配誘導のための基本的なプロトコルを紹介します。

要約

Phycomyces blakesleeanusは、Mucoromycota門内の糸状菌であり、環境認識と適応応答の顕著な能力によって区別されます。過去の研究では、重力、光、水分、栄養素の利用可能性などの環境刺激が成長ダイナミクスと生殖戦略に影響を与えることが示されていますが、その根底にあるメカニズムは依然として研究の焦点領域です。環境的な手がかりは、有性生殖または無性生殖を引き起こします。有性生殖は、フェロモンシグナル伝達から始まり、それが菌糸の化学引力を引き起こし、最終的には一連の形態学的遷移を引き起こし、接合胞子の形成に至ります。

実験室の設定では、 P. blakesleeanus の交配により、さまざまな段階で性周期を経る相補的な菌糸体が生じます。私たちの研究は、環境の手がかりが P.blakesleeanusの菌糸体全体で交配を引き起こすかどうかをテストすることを目的としています。栄養制限培地で栽培された P. blakesleeanuの交配は、栄養不足の寒天にさらされ、栄養不足に応じた性的反応を引き起こします。 P. blakesleeanus の交配が成功すれば、特定の段階で大量の有性生殖菌糸体を必要とする将来の研究が促進されます。この研究の結果は、 P. blakesleeanus の生殖メカニズムが環境要因によってどのように影響を受けるかについての理解を深め、糸状菌の有性生殖に関する幅広い知識ベースに貢献します。

概要

実験室条件での真菌系での交配の誘導は、真核生物の遺伝学、細胞生物学、進化生物学、およびバイオテクノロジーの理解を前進させました。ジカリアン菌類、特に子嚢菌は、実験室での交配誘導に関する最も広範な知識を特徴としています¹。興味深いことに、有性生殖が提案された最初の真菌であるSyzygites megalocarpusは、子嚢菌のメンバーではなく、門Mucoromycota²のメンバーです。門Mucoromycotaは、以前は「Zygomycota」として分類されていたが、現在はDikarian系統の姉妹と見なされている初期の分岐グループ^です^3,4。ムコロミコタは、ズーパゴマイコタとともに、これらの門が真菌の陸生生態系への移行を表しているため、進化的に重要です^4,5。他の菌類と同様に、ムコロミセストは環境に応じて無性生殖および有性生殖戦略を使用します^3,6。栄養が制限された条件下では、粘液菌類は性周期を開始します⁶。ムコロ菌は、ホモタル型とヘテロタリックの両方の交配メカニズムを示し、適合性は、それぞれ(-)と(+)として指定される交配型遺伝子sexMとsexPによって決定されます^7,8,9。

Blakeslee¹⁰は、粘液菌の性周期の外部条件に対する感受性を強調し、水分がそれらの形成に重要であり、基質内の栄養素の利用可能性が重要な役割を果たすことを指摘しました。相補的な交配タイプは、β-カロテンを前駆体として用いたトリスポリン酸(TA)の協調合成を通じて性周期を開始する11,12,13。TAの検出に続いて、応答する栄養菌糸は肥厚し、高度に分岐した接合胞子^となる14,15,16。接合子は、TAおよび相互にケモアトラクトの産生を続けます。P. blakesleeanusでは、接合胞は基質内で分化し、固体寒天培地では容易には見えない¹⁷。接触すると、接合胞は絡み合い、空中接合胞になります。

性周期が続くと、接合子の先端が付着し、細胞の中央が押し出されてリング状の構造を形成し、基部にコラロイドが膨らみ、プロガメタンギウムへの移行が完了します。プロガメタンギウムを形成する細胞の先端が融合し始め、ガメタンギウムに発達します。ガメタンギアの段階では、接合動物はとげのような装飾を示します。先端の細胞壁が溶解し、不定中隔が現れ、接合胞子が形成される領域を画定し、接合胞子はトング状の懸濁液として作用する¹⁸。接合子は、その細胞壁が厚くなるにつれて色素沈着し、追加のとげのような装飾を獲得する^17,18。形成されると、接合子は成長サイクルを再開する前に休眠期間に入ります。

Phycomyces blakesleeanusは、その大きな細胞と環境応答性胞子嚢^6,8,18で有名な異種粘液菌です。この生物は実験室で容易に培養でき、接合子の形成につながる性周期の部分は8〜10日で観察できます。モデルとして、P. blakesleeanusは、その環境中の光を感知する能力について調べられてきた^17,19。栽培の容易さと交配を誘発する能力も、光を知覚する能力の背後にあるメカニズムを研究するための理想的なモデルになりました²⁰。これらの知見は、菌類における光感知機構の進化的保存も浮き彫りにした。P. blakesleeanusでは、光はこれらの保存された光感知タンパク質を介して有性生殖を阻害することが示されています²¹。近年の進化的発生研究は、P. blakesleeanusの性サイクル⁶における細胞分化にどのような遺伝子が寄与しているかを理解しようとしてきた。形態形成を特定の遺伝子と相関させるには、遺伝子発現研究を行うために、同じ細胞型の十分な組織を単離する必要があります。

実験室環境でP. blakesleeanusの交配を誘導するためのプロトコルは以前に説明されているが、使用する培地の種類と関連する株についてのみ言及しているものもある¹⁸。いくつかのプロトコルの説明は、特定の培地の定式化を含んでいないが、プレート¹⁰上の推定相補的な嵌合タイプをどこに位置付けるかを記述している。より最近のプロトコルでは、各交配タイプの胞子を混合し、混合胞子懸濁液²¹を接種するか、または交配タイプをある程度離して配置し、培養物を20日間インキュベートさせることによって、接合子の産生を増加させることができる²²。これらのアプローチは、十分な分化細胞、特に接合子を生成するのに役立ちますが、発生の時間経過を観察したり、シングルセルトランスクリプトミクスのために接合子の前に形成される性的構造を選択したりするのには適していない可能性があります。他の研究では、性周期が始まるときに連続的な形態学的遷移を観察できるように、固体媒体上に距離を置いて補完的な交配タイプを配置することにより、これに対処しています^6,22,23。他の真菌の場合と同様に、P. blakesleeanus myceliaは放射状に拡大します^24,25。したがって、相補的な交配タイプを同じプレート上で成長させると、それらの菌糸体の異なる部分が異なる時間に接触します。菌糸体間の接触は、P. blakesleeanusの性周期の最初のステップの1つであるため、これは、相互作用する菌糸体の異なる部分が性周期の異なる段階にあることを意味します。この非同期性は、遺伝子発現研究の結果に影響を与える可能性があり、分化した細胞タイプが混在し、それらが異なる遺伝子発現プログラムを持っている場合、遺伝子の役割を1つの特定の構造に帰することは困難になります。

P. blakesleeanusは、性周期における形態形成に関与する遺伝子を調べるためのモデルとしての価値に加えて、その活発な成長と数日間で分化する能力により、早期に分岐する糸状菌類に関心のある学生のトレーニングや、真菌の多様性とその発生過程について学ぶための学部教室での使用に理想的な菌類となっています。ここで提示するプロトコルは、菌糸体の外観、交配の誘導、および特定の性的構造の濃縮に対する栄養素の利用可能性の影響を実証するために、2つの異なるタイプの培地の3つの濃度を利用しています。