B1u8ll. Plankton Soc. Japan 6（0 1）: 18–28, 2日01本3プランクトン学会報 第60巻 第1号（2013） 日本プランクトン 学会報 ©e Plankton Society of Japan 2013

珪藻Skeletonema属の最近の分類と生理生態特性（総説）

山田真知子

公立大学法人福岡女子大学国際文理学部環境科学科 〒813–8529 福岡市東区香住ヶ丘1–1–1

Recent studies on biodiversity and eco-physiological characteristics of the genus （ Bacillariophyceae） M  Y  

Department of Environmental Science, International College of Arts and Sciences, Fukuoka Women’s University, Kasumigaoka 1–1–1, Higashi-ku, Fukuoka 813–8529, Japan E-mail: [email protected]

Abstract e cosmopolitan Skeletonema costatum is widely considered to be one of the most important phytoplankton species because as a primary producer, it contributes to the productivity of global marine food chains and occasionally forms heavy blooms. New taxonomic methods using electron microscopy for ne morpho- logical observations, and gene analysis of ribosomal DNA（ rDNA） in 2005 and 2007 showed that“ S. costatum” ac- tually includes eight species: S. ardens, S. costatum sensu stricto（ s.s.）, S. dohrnii, S. grethae, S. grevillei, S. japoni- cum, S. marinoi and S. pseudocostatum. With the addition of these species to the three existing species, S. menzelii, S. subsalsum and S. tropicum, the genus Skeletonema comprises 11 species. e results of identication using both morphology and gene analysis agree well and reinforce the validity and applicability of the new classication meth- ods. Building on this progress and my own ndings over the last ve years, I herein comment on the methods of identication and classication of the 11 species of the genus Skeletonema, introduce the eco-physiological charac- teristics and biogeography of the new Skeletonema species, and present results of population studies of S. marinoi using genetic methods. A noteworthy outcome of the new taxonomic methods was the resolution of 21 strains in the S. marinoi-dohrnii complex. e global distribution of S. costatum sensu lato（ s.l.）, with opportunistic features, is explained by the discovery that this species was comprised of eight related species expected to have dierent eco- physiological characteristics. New research has revealed that the global distribution pattern of S. japonicum could be explained by its temperature–growth characteristics. e high diversity of the genus Skeletonema is evident in Dokai Bay, Japan, where seven or eight species were reported, and four species were counted in a single sample. In- teresting results from ongoing research suggest that the genetic structure of the S. marinoi population in Mariager Fjord, Denmark has been stable for over one hundred years. Hopefully, the will continue to develop us- ing other gene markers, and these taxonomic methods will be applied to dierent areas.

Key words: diversity, LSU rDNA, morphology, Skeletonema, SSU rDNA

類基準が提案された年である（ Zingone et al. 2005, Sarno は じ め に et al. 2005）．S. costatumは従来から南極海以外の世界の 沿岸海域に出現するコスモポリタン種で，基礎生産者と 植物プランクトンの生理生態研究に多くの業績をあげ して食物連鎖を支え，時には濃密赤潮を形成することか られてきたT. J. Smayda博士は，珪藻Skeletonema属の分 ら極めて重要な植物プランクトンの1種とされてきた． 類に対し，2005年のZingone et al.（ 2005） に始まり2011 形態が特徴的であることから光学顕微鏡での同定の容易 年のHärnström et al.（ 2011） の研究報告にいたるまで さも手伝って，S. costatumに関わる論文数は1990年から 「Skeletonema shock wave」が起こっていると述べた（ Smayda 15年間に548編に及んでいる（ Sarno et al. 2005）． 2011）．2005年は， Skeletonema costatumについて新しい分 S. costatumは，約150年前にMelosira costata Greville（ Gre- 山田：Skeletonema属の最近の分類と生理生態特性 19

ville 1866） として初記載され，Hasle（ 1973） により光学 顕 微 鏡（ Light Microscope, LM）， 透 過 型 電 子 顕 微 鏡 分類同定方法 （Transmission Electron Microscope, TEM），ならびに走査 型電子顕微鏡（ Scanning Electron Microscope, SEM） で観 Sarno et al.（ 2005, 2007），Kooistra et al.（ 2008） および 察される形態的特徴が明らかにされた．1980年と1982 Medlin & Kooistra（ 2010）の報告を中心に筆者のこれま 年にはGallagherによってアイソザイムを用いた生化学 での経験も踏まえて，従来から行われてきた光学顕微鏡 的手法により本種が遺伝的に異なる種で構成されている による形態観察，電子顕微鏡を用いた微細構造観察およ ことが予見され，1991年に遺伝子解析（ SSU rDNA, Small び遺伝子マーカーのLSU rDNA（ Large subunit ribosomal subunit ribosomal DNA） と電子顕微鏡による形態観察に DNA） とSSU rDNA解析が用いられる同定方法を紹介す より従来のS. costatumの中に別種が含まれていることが る．なお，電子顕微鏡を用いた微細構造観察では，SEM 報告された（ Medlin et al. 1991）． による方法について解説し，TEMを用いて側筒（ Girdle） 以上のことを背景として，Zingone et al（. 2005） は香港 の帯殻片（ Cingular band） を観察する方法は割愛する． 湾から採取されたS. costatumのタイプ標本を用いて電子 顕微鏡観察を行い，これが狭義のSkeletonema costatum 形態観察 （sensu stricto, s.s.） とSkeletonema grevilleiの2種で構成され 従来から報告されていたSkeletonema属4種のうちS. ていることを明らかにした．なお，狭義のS. costatum と costatum s.l.以外の3種が，現在でも光学顕微鏡で同定が 区別されるために，従来のS. costatumは広義のS. costatum 容易とされている．S. tropicumは1細胞あたり3個以上 （sensu lato, s.l.） と記述されるようになった．この報告を の葉緑体を含むのに対し，他のSkeletonema属各種は葉 幕開けとして，先に述べた「Skeletonema shock wave」が 緑体を1細胞あたり1～2個しか含まないので，光学顕微 始まることとなった．Sarno et al.（ 2005, 2007）は，電子 鏡による同定が可能である．しかし，S. tropicumが分裂 顕微鏡を用いた形態解析とrDNAを用いた遺伝子解析を を重ね殻径が小さくなった場合，葉緑体の数は2個以下 併用することにより，S. costatum s.l.をSkeletonema ardens に減少する．また，S. japonicumも葉緑体を1細胞あたり Sarno et Zingone, Skeletonema costatum（ Greville） Cleve 3個以上含む場合があるので，注意が必要である． emend. Zingone et Sarno, Skeletonema dohrnii Sarno et Koois- S. menzeliiは群体を形成せず，単細胞で海水中を浮遊 tra, Zingone et Sarno, Skeletonema grevil- していることが特徴とされている．しかし，これまで筆 lei Sarno et Zingone, Zingone et Sarno, 者の研究室において日本の内湾域から十数株のS. men- Skeletonema marinoi Sarno et Zingone, お よ びSkeletonema zeliiを単離しているが，いずれの場合も細胞は連結して pseudocostatum Medlin emend. Zingone et Sarnoの8種に識 おり，単細胞での出現ではなかった．S. pseudocostatum 別することを提案した．これらに従来から報告されてい も群体を形成して出現していることが大半であるが，野 るSkeletonema menzelii Guillard, Carpenter et Reimann, Skel- 外で季節によっては，また培養時に培養液の土壌抽出物 etonema subsalsum（ Cleve） Bethge, およびSkeletonema tropi- 質の濃度が濃い場合には単細胞となっていることが報告 cum Cleveの3種を加えれば，Skeletonema属には全部で されている． 11種が存在することになる．S. costatum s.l.が日和見的な 汽水域に出現するSkeletonema属はS. subsalsumと同定 性格を持ち世界の海洋のいたるところに出現できたの されることが多かったが，実は本種ではなくS. costatum は，生理生態特性の異なる8種のSkeletonemaの存在によ s.s.であった可能性が高いため検討が必要であると報告 ることが推定され，Sarno et al.（ 2005, 2007） により報告 されている（ Sarno et al. 2005, Kooistra et al. 2008）．なお， された8種についてはそれぞれ生理生態特性が新たに解 これら3種の海水・汽水産種に加え淡水産種とされる 明される必要のあることが示された． Skeletonema potamosは細胞間の連結棘が短い種とされて そこでこの総説ではSkeletonema属11種の同定基準を いる． 解説するとともに，新たに解明されつつあるSkeletone- Fig. 1に2009年4月から12月までに大阪湾から単離離 ma属各種の生理生態特性，さらに遺伝子解析を用いた 培養したSkeletonema属6株の光学顕微鏡写真を示す． S. marinoiの個体群研究に至るまでを簡単に紹介したい． LSU rDNAを用いて同定すれば，これらの株はいずれも なお，この総説では最近の論文の中で，遺伝子解析と微 S. dohrniiであった．通常Skeletonema属の外形は円筒形 細構造観察の併用により同定されたSkeletonemaのみを と報告されることが多いが，一種であっても環境条件や 対象として取り扱っている． 生活史の過程で外形が細長い円筒形からレンズ形まで， 20 日本プランクトン学会報 第60巻 第1号（2013）

さまざまに変化していることがわかる． 供される． SEM観察によりSkeletonema属が同定される場合，野 Sarno et al.（ 2005, 2007） が詳述したSkeletonema属各種 外試料かマイクロピペット法で単離・培養された株が用 の殻の微細構造の特徴に基づき，本研究で作成した検索 いられることが多い．これらの試料は固定を行った後， 表をFig. 2に示した．また，Skeletonema属4種のSEM写 電顕観察の前に細胞の有機物を分解除去するため，酸処 真をFig. 3に示す．この検索表では，まず群体の両端に 理（試料1：硝酸1：硫酸4）がほどこされる．筆者は前 位置するTerminal cellとそれら以外の中間に位置するIn- 処理法として安全性を鑑み，市販品の配管洗浄剤を利用 tercalary cellに必ず認められる2種類の棘，Rimoportula するパイプユニッシュ法（南雲 1995, http://www.u-gakugei. processとFultoportula processの形態に着目する．Rimo- ac.jp/~mayama//collection%20and%20cleaning.htm） portula processは，Fig. 3の矢印で示されるように，各細 を用いている．処理後，試料はよく水洗し，炭素テープ 胞の蓋殻（ Valve） に1本ずつあり，細胞がTerminal cellな を貼った試料台上で乾燥して，蒸着を行った後に観察に ら ばTerminal rimoportula process（ TRPP）, Intercalary cell ならばIntercalary rimoportula process（ IRPP） と記述され る．一方，Fultoportula processは各細胞の蓋殻の周縁に 蓋殻の径に応じて3本以上認められ，細胞がTerminal cellならばTerminal fultoportula process（ TFPP）, Intercalary cellならばIntercalary fultoportula process（ IFPP） と記され る． TFPPは先端の幅が拡がったFlared型と細いNarrow型 に大別され，Flared（Fig. 3 B-aの円内）ならばS. dohrnii かS. marinoiの ど ち ら か で あ る． こ れ ら の2種 は この TFPPも含め形態に全く差異がないため，どちらかに同 定される．TFPPがNarrowの場合（ Fig. 3 A-a, C-a, D-aの 円内），TRPPの位置を観察し，蓋殻の周辺に位置してい る（ Marginal） ならば（Fig. 3 A-bの矢印）3種の候補があ げられる．3種のうちIRPPが長い（ Long） とS. costatum Fig. 1. Light microscopy of Skeletonema marinoi-dohrnii com- （ の矢印）である． が短く（ ）， plex from Osaka Bay, Japan, identied using LSU rDNA and SSU s.s. Fig. 3 A-c, A-d IRPP Short rDNA sequences. Scale bar, 10 μm. また姉妹細胞のIFPPが先端付近からから小さな棘（ Lat-

Fig. 2. Identication guide using ne structures for eleven species of the genus Skeletonema. TFPP, terminal fultoportula process; TRPP, terminal rimoportula process; IRPP, intercalary rimoportula process; IFPP, intercalary fultoportula process. * S. japonicum sometimes has TFPPs with wider tips. 山田：Skeletonema属の最近の分類と生理生態特性 21

Fig. 3. Scanning electron micrographs of Skeletonema spp. from Dokai Bay, Japan. Scale bar, 1 μm. Aer Yamada et al（. 2010） with modi- cations. （A） Skeletonema costatum（. a）（, b）, and（ c） strain FDK011（; d） strain FDK015（. a） and（ b） terminal valve with TFPPs having narrow tips （circle） and a marginal TRPP（ arrow）;（ c） and（ d） intercalary valves with IFPPs accompanying external pores（ arrowhead） at their base, and a marginal long IRPP（ arrow）. e 1:1 junctions of IFPPs interlock by rectangular lateral expansion（ circle）.（ B） Skeletonema marinoi- dohrnii complex.（ a）,（ b）,（ c） and（ d） strain FDK026.（ a） and（ b） terminal valve with TFPPs having ared tips（ circle） and a sub-central TRPP（ arrow）（; c） and（ d） intercalary valves with IFPPs and a short marginal IRPP（ arrow）. e IFPPs interlock with plain joints（ circle）. （C） Skeletonema japonicum（. a） strain FDK186（; b） strain FDK160（; c） and（ d） strain FDK177（. a） terminal valve with TFPPs having nar- row tips（ circle） and a sub-central TRPP（ arrow）（; b） terminal valve with TFPPs showing wider tips（ circle） and a TRPP（ arrow）（; c） and （d） intercalary valves with IFPPs and a short marginal IRPP（ arrow）. e IFPPs interlock with fork joints（ circle）.（ D） Skeletonema tropi- cum（. a）（, b） and（ d） strain FDK207（; c） strain FDK200（. a） and（ b） terminal valve with TFPPs having narrow tips（ circle） and a sub-cen- tral TRPP（ arrow）;（ c） and（ d） intercalary valves with IFPPs and a short marginal IRPP（ arrow）. e IFPPs interlock with knuckle-like joints（ circle）. 22 日本プランクトン学会報 第60巻 第1号（2013）

eral expansion） が出てきっちり結合されていればS. ar- tumはまれに1 : 2となることがKooistra et al.（ 2008） に報 densであり，IRPPが短くIFPPの結合部分がフォーク 告された．一方，S. tropicumには1 : 2結合の観察されな （Fork） 型をとっていればS. grevilleiである． い株もあることが筆者らにより確認されている． TFPPがNarrowでTRPPが蓋殻の中心部分かそれに近 その他，同定にあたり留意を要する種はS. japonicum い場合6種の候補があげられ，この中でS. menzeliiは細 で あ る． 本 種 のTFPPはSarno et al.（ 2005） のTable 3に 胞が単独で存在するため，以降のIntercalary cellを用い 従ってNarrow型として検索表に示したが，Fig. 3 C-bに た検索は行わない．残り5種のうち，IRPPがLongであ 認められるように，Flared型をとる場合がある（ Kooistra れ ばS. subsalsumで あ る．IRPPがShortな4種 の 中 で， et al. 2008）．そこで，S. japonicumをはじめその他の種に IFPPの結合部分がFork型（Fig. 3 C-cの円内）ならばS. ついても正確な形態的同定を行うために，他の形態的特 japonicumであり，こぶし（ Knuckle） 型（Fig. 3 D-dの円 徴についても確認しておく必要がある．なお，形態の特 内）ならS. tropicumである．IFPPの結合部分がFork型， 徴による同定の場合，細胞が矮小となったものは用いな 結び目（ Knot） 型およびKnuckle型の3つの型をとるのが いことも重要である．Chen et al.（ 2007） が観察したS. S. grethaeとS. pseudocostatumの2種で，前者はTFPPの蓋 dohrniiの形態にSarno et al（. 2005） の報告と相違が認めら 殻への接続部分が円筒形とはならず開いたまま蓋殻に接 れたのは，細胞が矮小化したためとKooistra et al.（ 2008） 続している（ Split tube） のに対し，後者はTFPPが蓋殻に は述べている． 接続する際に開いていたものがいったん円筒形に閉じて 微細形態を用いて同定を行うにあたり，特異な形態を （Close at the base） 蓋殻に接続する． 示す個体は同定が容易となる．例えば，S. costatum s.s.と しかし，このTFPPの蓋殻への接続形態を，Sarno et al. S. subsalsum ではIFPP基部に小さな穴（hole, Fig. 3. A-dの （2005, 2007） に記載されている「Skeletonema属各種を区 arrow head）が観察される．また，S. grevilleiはIFPP基部 別している形態的特徴」に従って同定を行う場合には， に特異なRidgeが認められ，これらは同定にあたり特異 留意が必要である．S. dohrniiあるいはS. marinoiの場合， な特徴として有用である． TFPPの形態はSplit tubeとされTFPPの基部は円筒形では ないと記述されたが，同論文Sarno et al（. 2005） の各種の 遺伝子解析 形態的特徴が計測され示されたTable 2にはTFPP基部の 同 定 の た め の 遺 伝 子 マ ー カ ー と し て，Sarno et al. 円筒形の長さが0.0～0.3（0.1±0.1, 平均値±標準偏差） （2005, 2007） は核LSU rDNA（ D1–D3） と核SSU rDNAを μmと記述され，基部に円筒形が観察される場合のある 用いた．これらの塩基配列を読むためにSkeletonemaの ことが示されている．また，S. tropicumも同様にSplitと クローン培養株からDNAを抽出，PCR増幅し，シーク されたが，TFPP基部の円筒形の長さが0.0～0.7（ 0.4± エンサーで塩基配列を決定した．得られた塩基配列は， 0.3） μmと記載されている．一方，S. japonicumはClose at 分子系統解析することにより種名が決定される．遺伝子 the baseとされているがTable 2には0.0～0.5 μmと記載さ 操作が熟練されると良好な解析結果を得ることが出来る れ，Split tubeも観察される場合のあることが示されてい が，本研究においても，DNA抽出には対数増殖期の試 る． 料を用いる，PCRではアニーリング温度の設定を適宜調 また，姉妹細胞のIFPP同士の結合形態も，種の識別 整する，プライマーを独自に設計する，および精製のた のための特徴として掲げられている．IFPP同士の結合 めに切り出しを適宜行うなどの工夫を行っている． が1 : 1あるいは1 : 2であるかを観察するもので，Skeleto- Sarno et al.（ 2005, 2007） は，形態的特徴によって同定 nema属の基本的な構造として1 : 1結合は各種に共有さ されたSkeletonema属の11種はLSU rDNA系統樹に示さ れ て い る．1 : 2結合は上の細胞のIFPPと下の 細 胞 の れた系統群とよく一致し，また，SSU rDNAをマーカー IFPPが最低2本ずつ計4本結合していることが必要で， に用いた場合も同様に一致することを報告した．LSU これが連続すればジグザグ結合（ Fig. 3 A-d, C-d） となる． rDNAとSSU rDNAに基づく系統樹ではトポロジーがや 上下のIFPPにうちどちらかが1本となり合計3本が結合 や異なっていたことに対し，ブートストラップ値の高さ している場合はSingle 1 : 2（ Fig. 3 D-d） と呼ばれ，1 : 2と からLSU rDNAの方がSSU rDNAより信頼できるとした． はみなされず1 : 1の結合の範疇に入れられる．Skeletone- そのため，Kooistra et al（. 2008） はSkeletonemaの生物地理 ma属ではIFPPが1 : 2結合の場合が7種と多くみられる 学の研究にはLSU rDNAのみの解析結果を用いた．この が，1 : 1結合しか観察されないとされたS. ardens, S. gre- 研究では用いた株数が184とSarno et al（. 2005, 2007） の研 thaeお よ びS. pseudocostatumの3種 の う ちS. pseudocosta- 究よりも著しく増加し，調査対象海域も世界規模に拡張 山田：Skeletonema属の最近の分類と生理生態特性 23

Table 1. Classication of 26 strains of Skeletonema collected worldwide, on the basis of phylogenetic relationships inferred from LSU and SSU rDNA sequences, and the species names assigned.

ID GenBank accession number Isolation site Species name Name assigned LSU rDNA SSU rDNA LSU rDNA SSU rDNA

CCMP2479 AJ633537 AJ632210 Gulf of Naples, S. dohrnii S. dohrnii S. dohrnii CCMP2480 AJ633538 AJ632211 Mediterranean Sea CCMP2497 AJ633530 AJ632214 North Adriatic, CCMP2502 AJ633532 AJ632216 S. marinoi S. marinoi S. marinoi Mediterranean Sea CCMP2504 AJ633534 AJ632213 NIES-16 DQ396508 AB488607 Harimanada, Japan NIES-17 DQ396508 AB488608 NIES-323 DQ396508 AB488610 Osaka Bay, Japan NIES-324 DQ396508 AB488611 FDK016 AB572624 AB572838 FDK017 AB572625 AB572839 FDK019 AB572627 AB572841 FDK020 AB572628 AB572842 FDK021 AB572629 AB572843 FDK022 AB572630 AB572844 S. marinoi-dohrnii FDK023 AB572631 AB572845 S. dohrnii S. marinoi complex FDK024 AB572632 AB572846 Dokai Bay, Japan FDK026 AB572634 AB572848 FDK043 AB572651 AB572849 FDK054 AB572662 AB572850 FDK061 AB572669 AB572851 FDK072 AB572680 AB572852 FDK082 AB572690 AB572853 FDK092 AB572700 AB572854 FDK101 AB572709 AB572855 CCMP1715 EF433523 EF433520 Kasitsna Bay, Alaska

されたにもかかわらず，形態学的，遺伝学的同定結果に の計21株はいずれもLSU rDNAを用いた場合はS. dohrnii は矛盾がないことを報告した．しかし，このLSU rDNA と同定されたのに対し，SSU rDNAを用いた場合にはS. を用いた同定基準の課題として，S. tropicumやS. menzelii marinoiと同定された．同一株でありながら，異なった が隠蔽種（ Cryptic species） を含んでいることや，現在S. 種名に同定されたことになる．このため，国立環境研究 dohrnii, S. costatum s.s.お よ びS. grethaeの3種 は 側 系 統 所ではこのようなNIES 4株に対してS. marinoi-dohrnii （paraphyletic） であるものの今後S. costatum s.s.とS. gre- complexと 呼 称（ http://mcc.nies.go.jp/genusList.do?genus= thaeについては単系統になることが予測されることなど Skeletonema） し，本研究においてもこの名称を用いるこ も報告された． ととした． このように微細構造と分子系統解析を基準とする同定 なお，S. dohrniiとS. marinoiの分類については，海外 法に基づき日本沿岸海域に出現するSkeletonema属の種 に お い て も 論 議 が 継 続 し て い る． 両 種 はSarno et al. 類を調査していく過程で，S. dohrniiとS. marinoiについ （2005）によって，形態の微細構造観察に基づき，帯殻 て次のような不可解な結果を得たので紹介する．Table 1 片の模様のみが異なること及びLSU rDNAとSSU rDNA に示したように，地中海のナポリ湾とアドリア海はそれ の系統樹で両種が異なるクレードに分岐することを根拠 ぞれS. dohrniiとS. marinoiを産し，両種ともLSU rDNA として別種とされた．しかし，Sarno et al.（ 2005） は同一 とSSU rDNAを用いて同定した種名は一致した．しか 論文の中でこの帯殻片の模様が互いに同じになることも し，日本の大阪湾や瀬戸内海から分離されたNIES（国 あると述べており，さらにKooistra et al.（ 2008） やElle- 立環境研究所）4株，北九州市洞海湾から分離された16 gaard et al.（ 2008） により，この模様は両種に共有される 株およびアラスカの太平洋岸から分離されたCCMP1715 ことが報告された．形態学的に差異が全く認められなけ 24 日本プランクトン学会報 第60巻 第1号（2013）

ればS. dohrniiとS. marinoiは同一種である可能性もある が，Ellegaard et al.（ 2008） は両種に地理的隔離が認めら れることから別種と判定した．一方，両種は同定に用い られたLSU rDNAの785塩基中で3塩基しか異ならない ため，Medlin & Kooistra（ 2010） はS. dohrniiとS. marinoi は遺伝的にも別種とはならないだろうと述べた．

生理学的研究

世界の培養株保存施設や研究機関で維持培養されてい るS. costatum s.l.は，Sarno et al.（ 2005, 2007） の報告によ り一部を除いて新しい種名が不明となったが，Kooistra et al.（ 2008） によってこれらが新分類法を用いて同定さ れたことから，これまでこれらの保存株について得られ ていた生理的な研究成果が新種名で活用できることと なった．ここでは最近報告された2つの培養実験による 研究成果を紹介する． Skeletonema属の水温と照度に対する増殖特性が洞海 湾から単離されたS. ardens, S. costatum s.s., S. japonicum, S. marinoi-dohrnii complex, S. menzelii, S. psudocostatumおよび S. tropicumの7種26株について，Kaeriyama et al.（ 2011） によって報告されている．その結果，Skeletonema属各種 の出現への影響は水温の方が照度より大きいことが確認 Fig. 4. Specic growth rate for seven species of Skeletonema at され，実験に用いられたほとんどの種が水温20～30℃ various temperatures. Error bars indicate ＋/－ 1 standard deviation（ n＝3）. After で比増殖速度が 以上を示した（ ）．水温 ℃では 1 Fig. 4 30 Kaeriyama et al（. 2011） with modication. S. japonicumのみは増殖が不可能であったが，S. ardensと S. menzeliiの2種は35℃という高水温において良好な増 殖が認められた．一方，低水温10℃においてS. ardensと 生態学的研究 S. tropicumの2種には増殖が認められなかったのに対し， 10℃で比増殖速度が1以上と冬季の温帯域の水温に適応 世界における生物地理学 していたのはS. japonicumとS. marinoi-dohrnii complexの Kooistra et al（. 2008） は，自分たちで分離したSkeletone- 2種のみであった． maに世界の培養株株保存施設のSkeletonema属各種を加 塩分に対する増殖特性がBalzano et al.（ 2011） によっ え，総計184株について地理的分布を調査した．これに て，S. ardens, S. costatum s.s., S. japonicum, S. grevillei, S. ma- 洞海湾から得られた調査結果も加味して紹介すれば，分 rinoiおよびS. subsalsumの6種10株について研究された． 離場所が最も多かったのはS. dohrniiとS. marinoiの2種 その結果，すべての種が塩分10～35の間でよく増殖す で，南北の温帯域にそれぞれ17 ヶ所であった．両種は る広塩性種であり，増殖可能な最低塩分は種毎にまた同 前述のように同所に産することはなく，例外的に同所に 種でも株によって異なっており，0～10であったことが 出現したのはオランダのMarsdiep 1 ヶ所のみであったこ 報告された．この塩分0（淡水）の条件において連結棘 とから，S. dohrniiとS. marinoiは生態学的に相違するこ が極端に短縮しながらも生存できたのは，S. costatum とが示唆された．次に分離された場所の多かったのは暖 s.s.と従来から汽水産種とされているS. subsalsumの2種 水に分布するS. tropicum（11 ヶ所）で，本種の分布域の のみであった． 最低水温がHulburt & Guillard（ 1968） が示した出現最低 水温13℃によく一致することを報告した．本種は最低 水温が7℃となる日本の洞海湾にも定着し多産すること が認められ，これは本種が越冬休眠という生存前略をと 山田：Skeletonema属の最近の分類と生理生態特性 25

るためとされた（山田ほか 2009）．同じく11 ヶ所に出現 種が赤潮構成種となり，7種が交代して出現することに したのはS. pseudocostatumで，本種が南北アメリカ大陸 より，Skeletonema属の周年にわたる出現が認められるこ には認められなかったのは同定に用いられた株数が少な とが確認された． かったためであろうとされた．次に同定場所の多かった S. japonicum（10 ヶ所）は，温帯域沿岸の冷水域には出 休眠期細胞 現したが熱帯域からは同定されなかった．9 ヶ所に出現 Skeletonema属は海水中の栄養細胞が海底泥中の休眠 したS. menzeliiは，主に大西洋を挟んだ沿岸域に認めら 期細胞とリンクして，個体群が維持されることが知られ れるとされたが，洞海湾にも認められたことから本種は ている（ McQuoid & Hobson 1996, Itakura et al. 1997）．遺 アジアにも分布することが示された．また，S. grethae 伝子解析により海底泥からの発芽細胞について種名が確 （7 ヶ所）はアメリカ合衆国の大西洋岸にしか出現しな 認されているのは，S. dohrnii（ Kooistra 2008）, S. marinoi い種であると報告された． （Godhe et al. 2006, Saravanan & Godhe 2010, Godhe & Härn- 出現場所が5 ヶ所と少なかったのはS. costatum s.s.で， ström 2010, Härnström et al. 2011）, S. menzelii（ Yamada et al. 出現が記録された洞海湾を本報告に加えれば世界で6 ヵ 2010）, S. pseudocostatum（ Kooistra et al. 2008, Yamada et al. 所となる．S. ardensは，洞海湾を加えたアジアオセアニ 2010）, そしてS. tropicum（ Kooistra et al. 2008） の5種であ ア地区の4 ヶ所に分布した．S. grevilleiは2 ヶ所と最も少 る． なかった．しかし，S. costatum s.s.とS. grevilleiの2種は地 理的に離れた場所に出現しているので，これらの分布域 種多様性 は広いであろうことが予想された．S. subsalsumが確認 Skeletonema属の一定範囲内の海域での出現種類数は， されたのは，北アイルランドから分離されCulture Col- ナポリ湾で4種（ Sarno et al. 2005, Saggiomo et al. 2006）， lection of Algae and Protozoa（ CCAP） で保存培養されてい サンフランシスコ湾で3種（ Saggiomo et al. 2006），ナラ る1株のみであった． ガンセット湾で2種（ Saggiomo et al. 2006），中国の異な る沿岸域から3種（ Chen et al. 2007），そして中国と韓国 季節的消長 の沿岸域から5種（ Cheng et al. 2008）であった．サンプ 洞海湾において，1980年から現在までの約30年間に ル採取期間や採取頻度にもよるが，洞海湾では7種（Ya- わたり，赤潮生物として最も優占して出現しているのは mada et al. 2010, S. marinoi-dohrnii complexを1種とカウン Skeletonema属である（山田ほか 2011）．同湾での最近約 ト）とSkeletonema属の種多様性が極めて高い．また，1 2年間の毎月調査において，新分類法で同定されたSkel- サンプル中のSkeletonema属の出現種数も，Kooistra et al. etonema属各種の出現状況（ Yamada et al. 2010） をFig. 5に （2008） によれば最大3種であったが，洞海湾では2008 示す．このFig. 5に示されるように同湾では7種の出現 年9月のサンプルでは4種（ Yamada et al. 2010） と種多様 が認められ，最も出現頻度が高かったのはS. japonicum 性が高かった．これらのことから，Skeletonema属は1つ とS. marinoi-dohrnii complexの2種であった．ほとんどの の海域にあるいは同時に多くの種類が混在していること が示される．

種内変異と地域個体群 S. marinoiを巡って，北欧を中心に種内変異や地域個 体群に関わる遺伝的研究が野外調査や室内実験で展開さ れている．異なる海域に産するS. marinoi個体群を良好 に検出できる遺伝的手法を開発するために，Godhe et al. （2006） はカナダ西海岸，ポルトガル南東部，およびス ウェーデンの東西両海岸4海域から得られた株を用いて LSU rDNAのD1–D3領域，ITS領域，およびRAPD（ Ran- dom Amplied Polymorphic DNA） について比較検討を Fig. 5. Occurrence of each Skeletonema species isolated from 行った．その結果，3つの手法はどれも分離海域の違い Dokai Bay. を示すことができ，とくに はヨーロッパ内での地 Box height indicates the number of strains isolated. Aer Yamada ITS 2 et al（. 2010）. 理的相違も解析できることが示された． 26 日本プランクトン学会報 第60巻 第1号（2013）

スウェーデンのGullmareフィヨルドにおいてS. mari- 高いものであることが示された（ Kooistra et al. 2008）．し noiのブルーム形成時に単離された1月株と9月株および かし，隠蔽種やS. marinoi-dohrnii complexの分類など， 非形成時に単離された6月株について，マイクロサテラ 今後解決されなければならないいくつかの課題も同時に イトを用いた遺伝子型とともに，水温や塩分に対する株 指摘された．特に，S. dohrniiとS. marinoiの2種について の増殖特性などが調べられた（ Saravanan & Godhe 2010）． は，その後の形態的・遺伝的解析結果から同種である可 その結果，異なる季節に単離された株は遺伝子型が異 能性も指摘されている．これまでSkeletonema属の分類 なっており，これらの各株は生理学的にも異なる反応を 同定に用いられてきた遺伝子マーカーはLSU rDNAと 示したことから，フィヨルドでは異なるS. marinoi個体 SSU rDNAの2種に限定されていたが，今後はミトコン 群が遷移しながら出現していることが報告された．同じ ドリアDNA（ Alverson 2008） や葉緑体DNAなど他の遺伝 くGullmareフィヨルドからS. marinoiの栄養細胞と堆積 子マーカーも利用（ Kooistra et al. 2008） して，この方法 物からの発芽細胞を単離し，マイクロサテライトを用い を検証していく必要があるであろう．また，形態学的手 て遺伝子構造が比較検討された（ Godhe & Härnström 法においてもTFPPの蓋殻への結合部分など曖昧な形態 2010） 結果，フィヨルド内には浮遊生活と底生生活を継 的特徴については，サンプル数を増やして同定のキーと 続的に繰り返す1つの優占的な内生個体群が長期間存在 して有用であることを確実にしていく作業も必要であろ し，フィヨルドのシル（ Sill） がこれを維持していること う． などが報告された． そもそも種の境界は，形態的相違，遺伝子学的相違， Härnstöm et al.（ 2011） は，富栄養化の著しかったデン 生理生態的相違，地理的分布（地理的隔離・生殖隔離） マークのMariagerフィヨルドにおいて100年以上も遡る や有性生殖の有無などによって決定されている（例えば 堆積物を採取し，発芽したS. marinoiの遺伝子型の違い 沼田 1993, 東京大学生命科学教科書編集委員会 2009）． についてマイクロサテライトを用いて年代別に検討し これらの方法の中で，Skeletonema属は雌雄同株であるた た．その結果，フィヨルド内のS. marinoi個体群は沖合 め（右田 1967），交配による分類の検討が困難である． から流入してくるS. marinoi個体群とは明らかに異なる なお，右田（ 1967） が同株性と報告したSkeletonemaは写 ことを確認した．また，フィヨルド内のS. marinoiの遺 真からS. tropicumと推定される．Skeletonemaの他種につ 伝子構造は1980年前後の過栄養の影響を強く受けたが いては不明であるが，同様に同株性であると本稿では仮 富栄養化の前後で遺伝子構造に差異がなかったことか 定する．Skeletonema属では，細胞分裂により細くなっ ら，遺伝子構造へのインパクトはS. marinoiの潜在的な た殻径の増大は有性生殖によって図られるが，これに頼 分散性や世代時間などよりむしろ過栄養などの環境条件 らない栄養的増大によっても殻径を増大させることがで の方が強く，重要であることを示した． きる（ Gallagher 1983） ことも，交配試験による分類を困 難にする．しかし，Sarno et al（. 2005） はS. costatum s.l.よ お わ り に り新たに記載された種について，別種同士が交配を重ね ていたならば次世代には明白な形態的・遺伝的相違が示 自由生活をしている1 mmより小さなサイズの原生生 されないと予測されるため，別種による交配は行われて 物は，メタポピュレーションとなって世界中に分布して いない，と推定している．Härnström et al.（ 2011）はS. い る こ と がFinlay（ 2002） やFinlay & Fenchel（ 2004） に marinoiの地域個体群が隣接海域の個体群とは交配せず よって提唱された．しかし，Medlin et al.（ 2006） は最近 に，100年以上にわたり遺伝子構造を保っていることを の分子生物学的な分類手法の進歩により，コスモポリタ 報告した．これは，種内の個体群同士の交配についての ンとされていた微小サイズの種の大半は，1種ではなく 研究結果であるが，種間においては，遺伝子はいっそう 複数種により構成されていることを報告した．実際，こ 安定的に保持されていることが推測される． れを裏付けるように，コスモポリタンとされていたS. Kooistra et al.（ 2008） は新しい同定手法で分類された costatum s.l.はSarno et al（. 2005, 2007） によって8種に細分 Skeletonema属各種の世界における生物地理学を，Kaeri- 化された． yama et al（. 2011） やBalzano et al（. 2011） はそれらの水温， 世界の海域から単離された184株について遺伝子を用 照度，および塩分などに対する増殖特性の一端を明らか いて同定された結果と電子顕微鏡を用いて形態的に同定 にした．これらの研究成果の中で，S. japonicumについ された分類結果には良い一致が認められたことから， ては主に温帯の冷水帯に分布するという生態特性と，水 Skeletonema属のこの新しい細分化分類方法は信頼性の 温が10～25℃の間で増殖率が高く30℃では増殖できな 山田：Skeletonema属の最近の分類と生理生態特性 27

いという生理特性には矛盾が認められない．新しく分類 banding patterns of genetically dierent seasonal populations of Skeletonema costatum（ Bacillariophyceae）. J. Phycol. 18: 148–162. 同定されたSkeletonema属の1種について，このように既 Gallagher, J. C. 1983. Cell enlargement in Skeletonema costatum（ Bac- に整合性のとれた研究成果が認められるようになったの illariophyceae）. J. Phycol. 19: 539–542. である． Godhe, A., M. R. McQuoid, I. Karunasagar, I. Karunasagar & A. S. Rehnstam–Holm 2006. Comparison of three common molecular S. marinoiの遺伝学的な個体群研究は，Smayda（ 2011） tools for distinguishing among geographically separated clones of が指摘したように，珪藻Ditylum brigahtwelliiの一連の研 the diatom Skeletonema marinoi Sarno et Zingone（ Bacillariophy- 究（ Rynerson & Armbrust 2000, 2004, 2005, Rynerson et al. ceae）. J. Phycol. 42: 280–291. Godhe, A. & K. Härnström 2010. Linking the planktonic and benthic ）の成果に負うところが大きい．しかし， 2006, 2009 Skel- habitat: Genetic structure of the marine diatom Skeletonema mari- etonema属の生態学的研究の中で，遷移や地域個体群解 noi. Mol. Ecol. 19: 4478–4490. 析に対して分子的見地からのアプローチには，これまで Greville, R. K. 1866. Description of new and rare diatoms. Series 20. Trans. Micr. Soc. London, n. s., 14, 77–86. のオーソドックスな研究手法では得られなかった画期的 Härnström, K., M. Ellegaard, T. J. Andersen & A. Godhe 2011. Hun- な研究成果が収められている．Smayda（ 2011） がHärn- dred years of genetic structure in a sediment revived diatom popu- ström et al.（ 2011） の研究を引用して，「Skeletonema shock lation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108: 4252–4257. Hasle, G. R. 1973. Morphology and taxonomy of Skeletonema costatum wave」は続いていると，研究の新しい潮流を評した由縁 （Bacillariophyceae）. Norw. J. Bot. 20: 109–137. である．Skeletonema属の分類同定法は今後さらに精度 Hulburt, E. M. & R. R. L. Guillard 1968. e relationship of the distri- が上げられていくとともに，生理生態分野をはじめ多く bution of the diatom Skeletonema tropicum to temperature. Ecology, 49: 337–339. の応用分野で研究成果が活用され科学や社会に貢献して Itakura, S., I. Imai & K. Itoh 1997.“ Seed bank” of coastal planktonic いくことが期待される． diatoms in bottom sediments of Hiroshima Bay, Seto Inland Sea, Ja- pan. Mar. Biol. 128: 497–508. Kaeriyama, H., E. Katsuki, M. Otsubo, M. Yamada, K. Ichimi, K. Tada 謝 辞 & P. J. Harrison 2011. Eects of temperature and irradiance on growth of strains belonging to seven Skeletonema species isolated from Dokai Bay, southern Japan. Eur. J. Phycol. 46: 113–124. 本稿をまとめるにあたり，山形大学理学部生物学科 Kooistra, W. H. C. F., D. Sarno, S. Balzano, H. Gu, R. A. Andersen & 岩滝光儀博士に有意義なご助言を賜りました．ここに， A. Zingone 2008. Global diversity and biogeography of Skeletonema 深甚なる感謝の意を表します．また本研究の遂行にあた species（ Bacillariophyta）. Protist 159: 177–193. McQuoid, M. R. & L. A. Hobson 1996. Diatom resting stages（ Re- り，遺伝子解析に有益なご助言を頂いた福岡女子大学国 view）. J. Phycol. 32: 889–902. 際文理学部 大坪繭子助手，並びに種の同定にご尽力頂 Medlin, L. K., H. J. Elwood, S. Stickel & M. L. Sogin 1991. Morpholog- いた当研究室の皆様に厚くお礼申し上げます． ical and genetic variation within the diatom Skeletonema costatum （Bacillariophyta）: Evidence for a new species, Skeletonema pseudo- costatum. J. Phycol. 27: 514–524. 引 用 文 献 Medlin, L. K., U. Valentin, K. Metes, K. Töbe & R. Groben 2006. Mo- Alverson, A. J. 2008. Molecular systematics and the diatom species. lecular tools for the study of marine microbial diversity. Encyclope- Protist 159: 339–353. dia of Life Support Systems（ EOLSS）, Biotechnology Ed. Horst W. Balzano, S., D. Sarno & W. H. C. F. Kooistra 2011. Eects of salinity on Doelle, Oxford, UK. Eolss Publishers, 15 S. {http://www.eolss.net}. the growth rate and morphology of ten Skeletonema strains. J. Medlin, L. K. & W. H. C. F. Kooistra 2010. Methods to estimate the di- Plankton Res. 33: 937–945. versity in the marine photosynthetic protist community with illus- Chen, G. F., G. C. Wang, B. Y. Zhang & X. L. Fan 2007. Morphological trations from case studies: A Review. Diversity 2: 973–1014. and phylogenetic analysis of Skeletonema costatum-like diatoms 右田清治 1967. Skeletonema costatumの有性生殖について．日本 （Bacillariophyta） from the China Sea. Eur. J. Phycol. 42: 163–175. 水産学会誌 33: 392–398. Cheng, J., L. Yang, L. Junrong, G. Yahui, W. Peng, K.-C. 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