Establishment of fecal DNA metabarcoding method to clarify mammalian diets

• Project/Area Number: 22K05699
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 39060:Conservation of biological resources-related
• Research Institution: Fukuyama University
• Principal Investigator: 佐藤 淳 福山大学, 生命工学部, 教授 (80399162)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2026: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000); Fiscal Year 2025: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
• Keywords: ＤNAメタバーコーディング / 糞 / アカネズミ / ニホンテン / 食物連鎖 / 生態系 / 無脊椎動物 / 植物 / 哺乳類 / 食性 / DNAメタバーコーディング

Outline of Research at the Start

哺乳類の糞中の生物のDNAを対象にして、DNAメタバーコーディング分析を行うことで、生態系における食物網の一部を明らかにすることができる。しかしながら、この手法は発展の途中段階にあり、様々な課題を抱えている。その課題とは①糞中生物“全て”を検出することが難しいこと、②糞中生物の“量”の分析が難しいこと、そして③非食物生物の混入を防ぐ手法が確立されていないことである。本研究では、雑食性であるアカネズミとニホンテンをモデルとして、給餌実験により最適なDNAメタバーコーディング法を確立し、それを野外実験に適用することで、哺乳類の糞から食性を量的・質的に解明するための基盤を確立する。

Outline of Annual Research Achievements

糞中DNAから哺乳類の食性を分析することは、生態系を構成する食物網における哺乳類の役割を解明する上で重要である。2022年度はDNAメタバーコーディング法を用いて福山大学キャンパスに生息するアカネズミとニホンテンの食性を分析した。
2022年4月から2023年3月まで、毎月、計41頭のアカネズミを採集することに成功し、それらの糞を対象に無脊椎動物および植物検出用の既知のDNAマーカーを使って食性分析を行った。その結果、チョウ目を中心とした無脊椎動物や、ブナ科の植物の季節変動を把握することができた。特に、ブナ科については、アカネズミが秋に収集したドングリを春まで採餌していることが示唆された。さらに、ブナ科に被害をもたらすメイガ科の蛾など森林害虫も検出された。このことから、アカネズミとブナ科の植物との相利関係が示唆された。
同様に2020年6月から2022年9月に採取した48個の糞をDNAバーコーディングおよび形状からニホンテンの糞と同定し、食性分析を行った。その結果、スズメガ科、コガネムシ科、セミ科、オオムカデ科が検出され、成虫の活動時期と一致した。ヒヨドリは越冬のための渡りの時期と一致した。フトミミズは梅雨および秋の台風の時期と一致した。植物食性としては、ヤマモモ属、イチジク属、サクラ属が果熟期に検出された。ムクノキ属は花期に検出された。エノキ属やモチノキ属は果熟期をすぎた冬季に検出された。このことからニホンテンは植物のフェノロジーに合わせた柔軟な食性をもつこと、さらに果実を採餌することから種子散布者としての役割をもつことが示唆された。
さらにキャンパス内に生息する無脊椎動物を159個体（100種程度）採集することに成功し、ローカルDNAデータベースの構築をするための土台を形成した。研究実施計画にある給餌実験と新規のDNAマーカー開発は今後の課題である。

Current Status of Research Progress

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

Reason

研究実施計画にある給餌実験と新規のDNAマーカー開発は今後の課題であるが、2024年度、2025年度に予定していたアカネズミとニホンテンの食性分析を先取りして実施することができた。DNAサンプルを取得することができたため、新規のDNAマーカーを開発できれば、それを適用することで、アカネズミとニホンテンの食性の解明という目標を達成することができる。また、計画通りにローカルDNAデータベース構築用の無脊椎動物を採集することができた。申請計画とは順番が前後しているが、おおむね順調に進展していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

引き続き、アカネズミとニホンテンのサンプルの採取、および新規のDNAマーカーの開発を行うとともに、給餌実験、ローカルDNAデータベースの構築を行いたい。新規DNAマーカーの開発のために、2022年度に採集した無脊椎動物を対象にミトコンドリアDNA COI遺伝子のDNA塩基配列の決定をおこなう。その結果を活用することで、有効な新規DNAマーカーの開発ができると考えている。また、無脊椎動物を用いたアカネズミの給餌実験とDNAメタバーコーディング分析を通して、より広範な無脊椎動物を検出することができ量的な分析が可能な新規のDNAマーカーの開発に努めたい。さらに研究実施計画書に書いたようにマルチプレックスPCRの有効性も評価したい。新規のDNAマーカーの開発に至れば、アカネズミやニホンテンについてすでに得られた糞中DNAや、新規のサンプルを対象として、食性分析における新規マーカーの有効性を評価していきたい。
他に研究実施計画に掲げた課題として、排便後に付着した非食物生物の特定や2次的捕食の影響度も評価したい。2023年度には、無脊椎動物のローカルDNAデータベース構築に加えて、無脊椎動物の植物食性を調査することで、アカネズミやニホンテンから検出された植物が、採餌した植物なのか、採餌した無脊椎動物が採餌した植物なのかを明らかにしたいと考えている。
2023年度は国際哺乳類学会議のシンポジウムで、味覚受容体遺伝子の進化とともにニホンテンの食性分析結果について報告することが決まっている。その他、国内学会でも食性分析結果について報告するとともに、論文としてもまとめていきたい。

Research Products

• [Presentation] DNAメタバーコーディング法を用いた瀬戸内海島嶼に生息するアカネズミの食性分析 (2022)
  • Author(s): 佐藤淳、大月優弥、西浦直希、毛利公美
  • Organizer: 日本動物学会第93回早稲田大会
• [Book] 哺乳類学 (2022)
  • Author(s): 小池伸介、佐藤淳、佐々木基樹、江成広斗
  • Total Pages: 416
  • Publisher: 東京大学出版会
  • ISBN: 9784130622318