Large-scale empirical tests for (co)evolutionary ecosystem restoration

• Project/Area Number: 19H02974
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 39060:Conservation of biological resources-related
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 内海 俊介 北海道大学, 地球環境科学研究院, 教授 (10642019)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 門脇 浩明 京都大学, 白眉センター, 特定准教授 (30643548) ; 吉田 俊也 北海道大学, 北方生物圏フィールド科学センター, 教授 (60312401) ; 小林 真 北海道大学, 北方生物圏フィールド科学センター, 准教授 (60719798)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2023: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2020: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2019: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
• Keywords: 森林再生 / 生物多様性ー生態系機能 / 促進作用 / 遺伝的変異 / 迅速な進化 / 生物群集 / 共進化 / 一次遷移 / 生態ー進化フィードバック / 遺伝的多様性 / GBS / シカ食害 / 環境DNA

Outline of Research at the Start

生物の迅速な進化は生物群集の動態や生態系の機能に大きな影響を与える。これまでに見過ごされてきたが、大規模な環境改変を伴う生態系復元の現場は、迅速な進化のホットスポットである可能性が高く、群集構成種の共進化と群集の動態がダイナミックに相互作用する拡散共進化系であると予測される。本研究は、森林生態系において、ゲノミクスによる包括的なアプローチと多地点大規模復元実験の融合によってこの予測を検証する。そして、迅速な共進化を明示的に考慮することで生態系復元を最適化できるという仮説を実証的に検証する。これらを通して、進化ー生態学の総合研究を推進し、生態系復元の最適化という社会課題に向けた新たな提案を行う。

Outline of Annual Research Achievements

山腹崩壊試験において、自然散布されて出現した実生の詳細な時空間動態を調べた。トドマツとイタヤカエデの実生は、山腹崩壊処理地においてクラスター分布をしたが、両種とも同種・他種が近隣にあるほど生存・成長パフォーマンスが向上することが分かった。植物の種内および種間での促進作用の重要性が示唆された。しかし、斜面にさらなる雨水による土壌侵食が発生することによってこの関係が顕在化しなくなり、土壌浸食はトドマツの生残に対して大きな負の影響を与えた。一方で、強い根を張るイタヤカエデは土壌侵食の負の影響を受けず、逆に成長が促進された。さらに、トドマツ実生群における遺伝構造をMIG-seqにより検討した。その結果、サイト内でも距離による隔離の構造が検出される場合があり、分散制限の影響が示唆された一方で、十分な種子の供給があるサイトではこのような集団構造はみられなかった。
また、これらのトドマツ実生が地下部の土壌微生物や地上部の節足動物とどのようなネットワークを構築するかについても、メタバーコーディングによって明らかにした。特筆すべき点として、大きく表層土壌がなくなっていたにもかかわらず、複数の科の外生菌根菌との共生が成立していることがわかったが、ネットワーク構造については帰無モデルと違いはみられなかった。あわせて、植栽した稚樹についても地下部・地上部に新たに形成された相互作用ネットワークの構造についても同じ手法によって明らかにすることができた。以上はいずれも、山腹崩壊後の自然再生過程について新規な知見である。
他にも自然再生に関するさまざまな点が明らかになった。生物多様性－機能関係については、種多様性効果は年を経るごとに負の効果が強くなったが、種内の多様性効果は、一貫して正の効果を持ち続けていた。堅果にジャスモン酸処理を施して播種した場合に、複数年にまたがって食害が減少させることがわかった。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Which native legume or non-legume nitrogen-fixing tree is more efficient in restoring post-landslide forests along an environmental gradient? (2024)
  • Author(s): Makoto Kobayashi、Utsumi Shunsuke、Zeng Ruiqi、Mamiya Wataru、Miyazaki Tohru、Okuyama Tomohiro、Tanaka Fumiya、Yamada Takashi、Yoshida Toshiya
  • Journal Title: Forest Ecology and Management Volume: 554 Pages: 121672-121672
  • DOI: 10.1016/j.foreco.2023.121672
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A large‐scale field experiment of artificially caused landslides with replications revealed the response of the ground‐dwelling beetle community to landslides (2023)
  • Author(s): Furusawa Jumpei、Makoto Kobayashi、Utsumi Shunsuke
  • Journal Title: Ecology and Evolution Volume: 13 Issue: 3 Pages: 1-12
  • DOI: 10.1002/ece3.9939
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Biology of actinorhizal symbiosis from genomics to ecology: the 20th International Meeting on <i>Frankia</i> and Actinorhizal Plants (2022)
  • Author(s): Kucho Ken-Ichi、Tobita Hiroyuki、Utsumi Shunsuke、Uchiumi Toshiki、Yamanaka Takashi
  • Journal Title: Journal of Forest Research Volume: 0 Issue: 2 Pages: 1-4
  • DOI: 10.1080/13416979.2022.2036417
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Spatial heterogeneity in genetic diversity and composition of bacterial symbionts in a single host species population (2020)
  • Author(s): Kagiya Shinnosuke、Utsumi Shunsuke
  • Journal Title: Plant and Soil Volume: 452 Issue: 1-2 Pages: 513-527
  • DOI: 10.1007/s11104-020-04583-4
  • NAID: 120007089520
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An evolutionary approach to conservation ecology and ecosystem management (2020)
  • Author(s): 門脇 浩明, 山道 真人, 深野 祐也, 石塚 航, 三村 真紀子, 西廣 淳, 横溝 裕行, 内海 俊介
  • Journal Title: Japanese Journal of Conservation Ecology Volume: 25 Issue: 2 Pages: n/a
  • DOI: 10.18960/hozen.1933
  • NAID: 130007964565
  • ISSN: 1342-4327, 2424-1431
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 昆虫群集を予測する樹木の種内変異 (2020)
  • Author(s): 鍵谷進乃介，内海俊介
  • Journal Title: New Entomologist Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Presentation] How does fine-scale geological heterogeneity after a landslide shape spatial structure of tree seedlings? (2024)
  • Author(s): Yuzhuo FANG, Shunsuke UTSUMI
  • Organizer: 第71回日本生態学会大会
• [Presentation] 森林再生過程における地上‐地下相互作用ネットワーク構造-節足動物‐植物‐根圏微生物の三者系に着目して- (2023)
  • Author(s): 橋本一慶、方玉琢、安東義乃、小林真、内海俊介
  • Organizer: 第39回個体群生態学会
• [Presentation] Impacts of intra- and interspecific plant diversity and soil microbes on Herbivory Resistance (2023)
  • Author(s): Yuzhuo FANG、Shunsuke UTSUMI
  • Organizer: 第39回個体群生態学会
• [Presentation] 地上ー地下相互作用系からの進化群集生態学の展開 (2023)
  • Author(s): 内海俊介
  • Organizer: 菌根共生からみた進化群集生態学
  • Invited
• [Presentation] 地上-地下相互作用のネット ワーク構造を捉える (2023)
  • Author(s): 橋本一慶、内海俊介
  • Organizer: 第69回日本生態学会大会
• [Presentation] 環境DNAによる群集と種内変異の同時観測 : 野外での生態―進化相互連環の理解に向けて (2023)
  • Author(s): 嶋本直紀、米谷衣代、内海俊介
  • Organizer: 第69回日本生態学会大会
• [Presentation] 山腹崩壊が起きたとき徘徊性昆虫はどう応答するのか？大規模野外実験で明らかにする (2023)
  • Author(s): 古澤惇平、小林真、内海俊介
  • Organizer: 第69回日本生態学会大会
• [Presentation] Effects of species and genetic diversity of northern forest trees in reforestation: temporal changes and contrast (2023)
  • Author(s): Shunsuke Utsumi
  • Organizer: 第69回日本生態学会大会
• [Presentation] 山腹崩壊に対する徘徊性昆虫群集の応答～大規模実験で明らかにする～ (2022)
  • Author(s): 古澤惇平、小林真、内海俊介
  • Organizer: 第38回個体群生態学会
• [Presentation] ヤナギ樹上のeDNA：節足動物の種特異的検出とメタバーコーディング (2022)
  • Author(s): 嶋本直紀、米谷衣代、内海俊介
  • Organizer: 第38回個体群生態学会
• [Presentation] 山腹崩壊は徘徊性昆虫群集をガラリと変える？～大規模実験による検証～ (2022)
  • Author(s): 古澤惇平、小林真、内海俊介
  • Organizer: 第69回日本生態学会大会
• [Presentation] 森林再生場に影響を与えるシカ食害と植物種多様性：環境DNAによって評価する (2022)
  • Author(s): 仲野友太、南雲優哉、米谷衣代、内海俊介
  • Organizer: 第69回日本生態学会大会
• [Presentation] 石狩浜海岸林における潜葉性昆虫群集の時空間動態解析 (2022)
  • Author(s): 松浦輝、内海俊介
  • Organizer: 第69回日本生態学会大会
• [Presentation] 環境DNA手法で植食性昆虫の集団の遺伝子頻度は推定できるのか？ (2022)
  • Author(s): 嶋本直紀、米谷衣代、内海俊介
  • Organizer: 第69回日本生態学会大会
• [Presentation] 野外観測で観測するハムシの迅速進化と群集動態のフィードバック・ループ (2022)
  • Author(s): 南雲優哉、仲野友太、波多腰純也、内海俊介
  • Organizer: 第69回日本生態学会大会
• [Presentation] 生態系機能に対する種多様性と種内多様性の統合効果 (2022)
  • Author(s): 内海俊介
  • Organizer: 第69回日本生態学会大会
• [Presentation] 動物ー植物相互作用の野外調査法入門 (2021)
  • Author(s): 内海俊介
  • Organizer: 第37回個体群生態学会
• [Presentation] 山腹崩壊は徘徊性昆虫群集をガラリと変える?～大規模実験による検証～ (2021)
  • Author(s): 古澤惇平、小林真、内海俊介
  • Organizer: 第37回個体群生態学会
• [Presentation] 陸生節足動物の多様性は環境DNAでモニタリングできるか：森林再生場への活用 (2021)
  • Author(s): 仲野友太、南雲優哉、米谷衣代、内海俊介
  • Organizer: 第37回個体群生態学会
• [Presentation] 野外で観測するハムシの迅速進化と群集動態のフィードバック・ループ (2021)
  • Author(s): 南雲優哉、仲野友太、波多腰純也、内海俊介
  • Organizer: 第37回個体群生態学会
• [Presentation] 陸生植食性昆虫の環境 DNA 検出系の開発:ヤナギルリハムシの摂食実験アプローチ (2021)
  • Author(s): 嶋本直紀、米谷衣代、内海俊介
  • Organizer: 第37回個体群生態学会
• [Presentation] Impacts of sapling biodiversity and mammal herbivory on ecosystem function and sapling genetic diversity during early forest restoration (2021)
  • Author(s): Tanada Aimi, Kobayashi Makoto, Utsumi Shunsuke
  • Organizer: 第68回日本生態学会大会
• [Presentation] Meta-analysis of global revegetation after landslide disturbance (2021)
  • Author(s): Kagiya Shinnosuke, Utsumi Shunsuke, Yamazaki Haruka, Kobayashi Makoto
  • Organizer: 第68回日本生態学会大会
• [Presentation] 森林再生の波及効果:植物多様性とシカ食害の節足動物へのインパクト (2021)
  • Author(s): 仲野友太、棚田愛美、南雲優哉、米谷衣代、内海俊介
  • Organizer: 第68回日本生態学会大会
• [Presentation] 野外観測データで進化と群集のフィードバックを見ることが出来るか？ (2021)
  • Author(s): 南雲優哉、仲野友太、内海俊介
  • Organizer: 第68回日本生態学会大会
• [Presentation] 景観アプローチから明らかにする都市における植物の適応進化 (2021)
  • Author(s): 石黒智基、Marc T. J. Johnson、内海俊介
  • Organizer: 第68回日本生態学会大会
• [Presentation] 外来植物の地下繁殖形質は近隣株の遺伝的特性によってどう変わるか？ (2021)
  • Author(s): 寺田郁香、内海俊介
  • Organizer: 第68回日本生態学会大会
• [Presentation] How do mammal herbivory, plant diversity, and plant genetic variation affect tree sapling productivity during early forest restoration? (2020)
  • Author(s): Tanada Aimi, Kobayashi Makoto, Utsumi Shunsuke
  • Organizer: 第35回個体群生態学会大会
• [Presentation] 森林再生の波及効果:植物多様性とシカ食害の節足動物へのインパクト (2020)
  • Author(s): 仲野友太、棚田愛美、南雲優哉、内海俊介
  • Organizer: 第35回個体群生態学会大会
• [Presentation] 野外観測データで検証する群集ー進化フィードバック (2020)
  • Author(s): 南雲優哉、仲野友太、内海俊介
  • Organizer: 第35回個体群生態学会大会
• [Presentation] 都市－郊外におけるシロツメクサの被食防衛適応形質の空間的変異 (2020)
  • Author(s): 石黒智基、Marc T. J. Johnson、内海俊介
  • Organizer: 第35回個体群生態学会大会
• [Presentation] 外来植物の地下部の無性繁殖形質は近隣個体の種内遺伝的特性の認識によって変化する (2020)
  • Author(s): 寺田郁香、内海俊介
  • Organizer: 第52回種生物学会シンポジウム
• [Presentation] Assessing the validity of SNP-based allele frequency estimation of Betula ermanii through a pooled genotyping-by-sequencing approach (2020)
  • Author(s): Aimi Tanada, Makoto Kobayashi, Shunsuke Utsumi
  • Organizer: 第67回日本生態学会
• [Presentation] 自己か非自己か：隣の株の遺伝的特性が外来植物の生産性と繁殖戦略を変えるか？ (2020)
  • Author(s): 寺田郁香, 内海俊介
  • Organizer: 第67回日本生態学会
• [Presentation] 石狩浜カシワ・ミズナラ林の分断化パッチにおける潜葉性昆虫の群集構造 (2020)
  • Author(s): 松浦輝, 松尾歩, 佐藤光彦, 陶山佳久, 内海俊介
  • Organizer: 第67回日本生態学会
• [Presentation] 相利共生の群集遺伝学：共生細菌群集は遺伝的類似則によって予測されるか？ (2020)
  • Author(s): 鍵谷進乃介, 九町健一, 内海俊介
  • Organizer: 第67回日本生態学会
• [Presentation] シロツメクサの都市適応か？北海道内におけるHCN生産性の変異 (2020)
  • Author(s): 内海俊介, 安東義乃, Marc Johnson
  • Organizer: 第67回日本生態学会
• [Presentation] 河川全域調査でせまる：植食者群集の違いはハムシの異なる進化動態を駆動するのか？ (2019)
  • Author(s): 波多腰純也, 内海俊介
  • Organizer: 日本生態学会北海道支部会
• [Presentation] 石狩川流域のハムシ個体群における迅速な進化動態 (2019)
  • Author(s): 波多腰純也, 内海俊介
  • Organizer: 第35回個体群生態学会
• [Book] 木本植物の被食防衛 (2023)
  • Author(s): 小池 孝良、塩尻 かおり、中村 誠宏、鎌田 直人
  • Total Pages: 280
  • Publisher: 共立出版
  • ISBN: 9784320058408