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多細胞生物が統制のとれた環境応答行動を獲得するまでの進化過程

Research Project

Project/Area Number 21K06295
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 45020:Evolutionary biology-related
Research InstitutionHosei University

Principal Investigator

植木 紀子  法政大学, 法学部, 教授 (80415116)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2022: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Keywords多細胞化 / レイノルズ数 / ボルボックス目 / ボルボックス / 光反応 / 走光性 / 鞭毛 / 繊毛 / 大型化 / 環境応答
Outline of Research at the Start

緑藻ボルボックスは数千細胞から成り、各細胞から生える鞭毛を一斉に打ちながら遊泳し、顕著な走光性を示す。走光性の方向転換は、細胞間の情報伝達ではなく、個々の細胞に予め備わっている性質が総合して実現する。個体に調和のとれた動きを生み出すこの自律分散システムは、単細胞性の祖先生物が少しずつ細胞数を増やし、進化する過程で完成したと考えられる。本研究では、鞭毛の光反応に着目してボルボックス目の種の光行動を比較・解析することで、多細胞化進化における光環境応答機構変遷の全体像の解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

緑藻のボルボックス目には、単細胞生物から数千細胞から成る生物にいたるさまざまな細胞数の種が含まれる。いずれの種も、体細胞から2本ずつ生える鞭毛を動かすことで水中を遊泳する。光刺激を与えると、一時的にこの鞭毛運動が変化するが、面白いことにその変化の様式は種によって異なっている。これまでに、ボルボックス目の20以上の種についてその様式を高速度撮影によって観察・記録した。その結果、その変化様式は、(1)鞭毛波形の一時的な変換、(2)反応なし、(3)鞭毛の一時的な停止、(4)鞭毛の打つ方向の変化、の4パターンに分類できることがわかった。さらに、各種の個々の個体の直径と遊泳速度を同時計測し、その値から実際の粘性力と慣性力の比(レイノルズ数)を求めたところ、上記のパターンの違いはレイノルズ数の違いに関係することを示すことができた。
本年度は、ボルボックス目から最終的に選抜した全27系統について、上記データの不足部分を補完する実験を行った。これにより、ボルボックス目全体をカバーするデータとして記述することができた。また、上記(1)(2)(4)に分類される種では鞭毛軸糸レベルの解析が報告されているが(3)については報告がない。そこで、上記(3)の「鞭毛の一時的な停止」を示す種の代表種として、16細胞から成るパンドリナに着目した。鞭毛軸糸レベルの解析と比較を行うため、パンドリナの除膜細胞モデル作成のための条件検討を行った。さらに、パンドリナ鞭毛を単離・除膜してその運動を再活性化させる実験を確立するための条件検討を行った。また、パンドリナの個体レベルの光反応行動として、これまでに定量した走光性に加え、光驚動反応行動の定量を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ボルボックス目全体に渡る種について、光刺激を与えたときの鞭毛の反応パターンと、個体のサイズと遊泳速度から算出されるレイノルズ数を求めることにより、多細胞化進化に伴うレイノルズ数増加に応じた鞭毛反応パターンの推移があることが見出された。一方、鞭毛軸糸レベルの運動性評価(細胞モデルもしくは単離軸糸の運動再活性化)は、生物種によって最適な実験条件が異なり、それを確定するまでに多くの時間を要することがわかってきた。多種間での比較が難しいと思われるため、中間的な形態を持つパンドリナを代表種として扱うこととした。

Strategy for Future Research Activity

16細胞からなる中間種パンドリナを用いた鞭毛軸糸レベルの運動性解析を行う。また、別のアプローチとして、鞭毛に異常があるクラミドモナス変異体の光に対する反応を観察することで、多細胞種が示す反応パターンの原型になるものがないかを調べる予定である。

Report

(3 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (16 results)

All 2024 2023 2022 2021

All Journal Article (5 results) (of which Open Access: 2 results,  Peer Reviewed: 4 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Multicellularity and increasing Reynolds number impact on the evolutionary shift in photo-induced ciliary response in Volvocales2023

    • Author(s)
      Ueki Noriko、Wakabayashi Ken-ichi
    • Journal Title

      bioRxiv

      Volume: -

    • DOI

      10.1101/2023.12.22.573154

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Open Access
  • [Journal Article] Reactivation of Demembranated Cell Models in <em>Chlamydomonas reinhardtii</em>2022

    • Author(s)
      Ueki Noriko、Isu Atsuko、Wakabayashi Ken-ichi
    • Journal Title

      Journal of Visualized Experiments

      Volume: 183 Issue: 183

    • DOI

      10.3791/63869

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Observation of Photobehavior in <em>Chlamydomonas reinhardtii</em>2022

    • Author(s)
      Ueki Noriko、Isu Atsuko、Kyuji Ayaka、Asahina Yuma、So Satoaki、Takahashi Rina、Hisabori Toru、Wakabayashi Ken-ichi
    • Journal Title

      Journal of Visualized Experiments

      Volume: 183 Issue: 183

    • DOI

      10.3791/63961

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] ボルボックス目緑藻の比較から紐解く光行動の意義2022

    • Author(s)
      若林憲一, 植木紀子
    • Journal Title

      光合成研究

      Volume: 32 Pages: 121-130

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] The four-celled Volvocales green alga Tetrabaena socialis exhibits weak photobehavior and high-photoprotection ability2021

    • Author(s)
      Tanno Asuka、Tokutsu Ryutaro、Arakaki Yoko、Ueki Noriko、Minagawa Jun、Yoshimura Kenjiro、Hisabori Toru、Nozaki Hisayoshi、Wakabayashi Ken-ichi
    • Journal Title

      PLOS ONE

      Volume: 16 Issue: 10 Pages: e0259138-e0259138

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0259138

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] ボルボックス目におけるレイノルズ数の増加に適応した光誘起繊毛反応の進化2024

    • Author(s)
      植木 紀子, 若林 憲一
    • Organizer
      生体運動研究合同班会議2024
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Relationship between photoreaction patterns of cilia and size evolution in Volvocales2023

    • Author(s)
      Noriko Ueki, Ken-ichi Wakabayashi
    • Organizer
      第20回国際クラミドモナス会議
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Transition of photoresponse styles in cilia as a function of Reynolds number in Volvocales2023

    • Author(s)
      Noriko Ueki, Ken-ichi Wakabayashi
    • Organizer
      第7回国際ボルボックス学会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ボルボックス目の多細胞化に伴う流体環境の変化とそれに対する適応2023

    • Author(s)
      植木 紀子, 若林憲一
    • Organizer
      第17回クラミドモナス研究会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 遊泳性緑藻ボルボックス目におけるレイノルズ数と繊毛運動調節様式の連関2023

    • Author(s)
      植木 紀子, 若林 憲一
    • Organizer
      第61回日本生物物理学会年会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Cooperative Evolution of Individual Size and Flagellar Photoresponse in Volvocales2022

    • Author(s)
      Noriko Ueki, Ken-ichi Wakabayashi
    • Organizer
      The 6th International Volvox Conference
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ボルボックス目緑藻における鞭毛の光反応様式と大型化進化2022

    • Author(s)
      植木 紀子
    • Organizer
      日本植物学会第86回大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 緑藻ボルボックス目における個体サイズと鞭毛光反応の協調的進化2022

    • Author(s)
      植木紀子, 若林憲一
    • Organizer
      第15回クラミドモナス研究会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 緑藻ボルボックスの行動のしくみー5000細胞の集合体が多細胞生物として機能するには2022

    • Author(s)
      植木紀子
    • Organizer
      日本化学会 第102春季年会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] ボルボックス目緑藻に見る多細胞化進化と走光性メカニズムの変遷2021

    • Author(s)
      植木紀子
    • Organizer
      第5回原生生物学・共生生物学談話会(共催:原生生物・寄生虫・進化セミナー)
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 緑藻ボルボックス目における大型化進化と走光性機構の変化2021

    • Author(s)
      植木紀子
    • Organizer
      日本分子生物学会第44回年会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Invited

URL: 

Published: 2021-04-28   Modified: 2024-12-25  

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