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■基礎生物学研究所の研究活動

基礎生物学研究所は、生物現象の本質を分子細胞レベルで解明することをめざし、 細胞生物学、発生生物学、神経生物学、進化多様性生物学、環境生物学、理論生物学、 イメージングサイエンスの7つの研究領域にわたる幅広い研究活動を行っています。 また基礎生物学研究の中核拠点として全国の研究者に共同利用・共同研究の場を提供しています。

基礎生物学研究所の最近の成果より

「食虫植物ハエトリソウの記憶の仕組みを解明」　2020.10.06 発表

食虫植物は葉で小動物を誘引、捕獲、消化、吸収し、栄養としています。ハエトリソウはアメリカ合衆国のノースカロライナ州とサウスカロライナ州だけに分布する食虫植物です。二つ折りになった葉の上に毛（感覚毛）が生えており（図１）、1回触っただけでは閉じませんが、30秒以内にもう1回触ると、約0.3秒で閉じ、小動物を挟み込んで食べてしまいます（図１）。このことは、最初の刺激を30秒間記憶していることを示しています。

図１　ハエトリソウの自生（左）と捕虫（中、右）。葉の表側にある感覚毛（中）を2回刺激すると葉が閉じる（右）。閉じた葉（右）はコオロギを捕獲している。

脳も神経も無い植物が記憶することから、その仕組みは広く興味が持たれ、多くの研究者が研究を行ってきました。そして、1988年にドイツのホディックとシーバースは、カルシウムイオン濃度変化が関与しているのではないかという仮説を提唱しました（図２）。

図２　ホディックとシーバース（1988)の仮説の模式図

しかし、ハエトリソウでカルシウムイオン濃度を細胞にダメージを与えずに測定する方法が無く、真偽が不明でした。基礎生物学研究所 生物進化研究部門の須田啓大学院生、真野弘明特任助教、玉田洋介助教（現宇都宮大学）、長谷部光泰教授らを中心とした研究グループは、ハエトリソウへの遺伝子導入技術（外来遺伝子を生物に導入する技術）を確立し、カルシウムイオンと結合して緑色蛍光を発するタンパク質の遺伝子をハエトリソウに導入しました。そして、細胞内カルシウムイオン濃度変化を可視化することに成功しました。その結果、1回目の刺激で細胞内カルシウムイオン濃度が上昇し、2回目の刺激で1回目の細胞内カルシウムイオン濃度に上乗せして、さらにカルシウムイオン濃度が上昇、閾値（限界値）を超えることで葉が閉じることを発見しました（図３）。一方、1回目の刺激で上昇した細胞内カルシウムイオン濃度は、時間とともに減少し（図3）、ホディックとシーバースの仮説のように（図2）、約30秒を超えると、2回目の刺激を与えても、細胞内カルシウムイオン濃度が閾値を超えないために、葉が閉じないことがわかりました。この観察結果から、ハエトリソウの記憶はカルシウムイオン濃度変化によって説明できることがわかりました。

図３　ハエトリソウの葉のカルシウムイオン濃度変化を可視化した写真。カルシウムイオン濃度が上がると赤色が濃くなり、さらに濃くなると黄色になる。図中のsは秒を現す。

今後は、接触刺激がどのような仕組みでカルシウムイオン濃度を変化させるか、変化したカルシウムイオン濃度がどのように運動を引き起こすか、そして、ハエトリソウの速い運動が普通の植物の何を変えることで進化できたのかを解明することが課題です。そして、将来的には、動かない普通の植物を動くようにできるかもしれません。

この成果は英国時間2020年10月5日付でNature Plants誌に掲載されました。


動画では、カルシウムイオンの蛍光を緑で示してあります。カルシウムイオン濃度が上がると緑色が濃くなります。

【発表雑誌】
雑誌名 Nature Plants
掲載日 英国時間2020年10月5日
論文タイトル: Calcium dynamics during trap closure visualized in transgenic Venus flytrap
著者： Hiraku Suda, Hiroaki Mano, Masatsugu Toyota, Kenji Fukushima, Tetsuro Mimura, Izuo Tsutsui, Rainer Hedrich, Yosuke Tamada, Mitsuyasu Hasebe
DOI: 10.1038/s41477-020-00773-1

白化したサンゴの生死を決める新たな要因を発見 〜高温ストレスによる共生藻の共生能力の低下〜　2020.08.25発表

サンゴ礁に棲息するサンゴは、体の中に藻類（共生藻）を共生させ、成育や生存に必要な栄養の多くを共生藻の光合成に依存しています。しかし、海水温が異常に高くなると、サンゴは共生する藻類を失います。これが、サンゴの白化と呼ばれる現象です。白化したサンゴは共生藻なしでもしばらくは生きていられます。そのため、その間に海水温が下がり、藻類を再共生させることができれば、白化から回復することができます。しかし、自然界では、白化した多くのサンゴが回復できず、餓死しています。これが、世界規模でサンゴが減少し、サンゴ礁生態系の崩壊が起きている主な原因となっています。今回、基礎生物学研究所 環境光生物学研究部門の岸本 真理子大学院生と皆川純教授、高橋俊一准教授らは、東北大学大学院生命科学研究科の丸山真一朗助教、豪James Cook大学Andrew Baird教授らとの共同研究により、サンゴと同じく藻類と共生するモデル生物であるセイタカイソギンチャクを用いた実験から、白化からの回復が起こりにくい原因の一つが、「高温ストレスによる藻類の共生能力の低下」であることを発見しました。今回の発見は、藻類の共生能力の低下を抑えることで、白化したサンゴを救えることを示唆します。この成果は、微生物生態学に関する専門誌The ISME Journalに2020年8月21日に掲載されました。

【研究の背景】
サンゴ礁は生物多様性に富んだ生態系が築かれてきましたが、近年の地球温暖化に伴う海水温の上昇により、サンゴ礁生態系の崩壊が世界規模で起こっています。その主な原因がサンゴの白化です。白化は、高温ストレスによりサンゴが共生する藻類を失うことで起こります。過去30年の間に、世界規模の白化が度々起こっており、その都度、多くのサンゴが失われています。地球温暖化が進めば、白化の規模や頻度はさらに増すと予想されており、対策が急がれています。

自然界では、大規模な白化現象の後、多くのサンゴが死滅しました。そのため、白化するとサンゴは死滅するという考えが強くありますが、実際には白化直後のサンゴは共生する藻類を失っただけで、まだ生きています。そのため、その間に海水温が下がり、藻類を再共生させることで、白化から回復することができます。しかし、大規模白化の後に多くのサンゴが死滅したことからも分かるように、白化からの回復は容易には起こりません。これまで、その理由は不明でした。そこで、本研究では、白化からの回復が容易には起こらない原因を探りました。

【研究の成果】
今回の研究では、実験室内での維持や観察が難しいサンゴの代わりに、サンゴと近縁で、同じ藻類と共生関係を構築するモデル生物であるセイタカイソギンチャク（Aiptasia）を用いて実験を行いました。実験により、高温ストレスを一度受けると、共生藻の共生能力が低下することを発見しました（図1）。白化からの回復には、海水中や宿主動物（サンゴやイソギンチャク）の体内に残った共生藻が利用されます。今回の実験では、海水中でも宿主細胞に共生している場合でも、高温ストレスを一度受けると、共生藻の共生能力が低下することが分かりました。さらに、共生能力の低下は一時的で、高温ストレスを受けた時間が長くなると、共生能力の回復により時間がかかることも分かりました。これらの結果は、高温ストレスが緩和された後でも、藻類の共生能力が低下しているために、白化からの回復が抑制されてしまうことを示しています（図2）。また、本研究では、同様の高温ストレスの後でも、共生能力を失わない共生藻株が見つかっています。この結果は、利用可能な藻類の種（タイプ）の違いで、白化からの回復能力が異なることを示しています。

図1：高温ストレスによる共生藻の共生能力の低下
高温ストレスを受けた共生藻類は、その後、高温ストレスが緩和された後でも、共生能力が低下している。セイタカイソギンチャクを宿主として用いた実験。写真は蛍光写真で、赤色の粒が共生藻を示す。

図2：今回の結果から導き出された自然界で白化からの回復が起こりにくい要因

【今後の展望】
地球温暖化に伴う海水温の上昇がもたらすサンゴの白化や死滅は世界規模の問題となっていますが、いまだに解決の糸口が見つかっていません。今回の研究では、高温ストレスによる藻類の共生能力の低下が、白化からの回復を抑制し、死滅に導く要因の一つとなることが示されました。また、共生能力喪失の温度感受性が共生藻の種間で異なることから、利用可能な共生藻種の違いにより、白化からの回復力が異なることも示されました。これらは、高温ストレスによる藻類の共生能力の低下を抑えることで、白化したサンゴの死滅を防ぐことができる可能性を示しています。今後は、サンゴを用いた自然な環境で、藻類の共生能力の喪失が、白化回復に与える影響を調べていく必要があります。

【発表雑誌】
雑誌名: The ISME Journal
掲載日: 2020年8月21日
論文タイトル: Loss of symbiont infectivity following thermal stress can be a factor limiting recovery from bleaching in cnidarians
著者: Mariko Kishimoto, Andrew H. Baird, Shinichiro Maruyama, Jun Minagawa, Shunichi Takahashi
DOI: https://doi.org/10.1038/s41396-020-00742-8

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■基礎生物学研究所の教育活動

基礎生物学研究所は、教育の場でもあります。総合研究大学院大学の基盤機関の一つとして生命科学研究科・基礎生物学専攻の大学院教育（５年一貫制博士課程・博士後期編入）を担当しています。 研究所の恵まれた研究環境において、将来の生物学におけるリーダーを輩出すべく、少数精鋭の大学院教育を行っています。 また全国の国・公・私立大学の要請に応じて、それらの大学に所属する大学院生を「特別共同利用研究員」として受け入れ、大学院教育の協力を行っています。

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■２０２０年１１月７日（土）オンライン大学院説明会を開催

対象は、大学生・高専専攻科生・修士院生等の大学院入学を検討する皆さんです。大学院説明会の詳細はこちらページをご覧ください。