分子的・生理的機構と形質適応進化をつなぐ数理的研究

• Project/Area Number: 22K06409
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 45040:Ecology and environment-related
• Research Institution: Tokyo Woman's Christian University
• Principal Investigator: 山口 幸 東京女子大学, 現代教養学部, 講師 (20709191)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 内分泌調節 / 環境応答 / 浸透圧調節 / 塩類細胞 / 温度依存性決定 / 共生 / 環境適応

Outline of Research at the Start

これまでの行動生態学や生活史戦略の理論では、生態的・社会的環境に対する適応を自然淘汰で説明する際に、生理的制約や分子的／生理的機構を無視することが多かった。そこで本研究では、幅広い分類群を対象に、分子的／生理的機構を取り入れて、生態的、物理的、社会的環境の変化への適応的応答を理解する進化生態学の新しいパラダイム確立を目指す。対象として陸上動物や植物を含め、性に限らずより一般の形質を扱う。具体的には、次の３つの課題：［１］淡水と海水を行き来する魚の浸透圧調節の塩類細胞タイプ組成、［２］爬虫類における温度依存性決定のメカニズム、 ［３］植物と微生物の共生が成立する条件、について集中的に取り組む。

Outline of Annual Research Achievements

これまでの行動生態学や生活史戦略の理論では、生態的・社会的環境に対する適応を自然淘汰で説明する際に、生理的制約や分子的／生理的機構を無視することが多かった。そこで本研究では、幅広い分類群を対象に、分子的／生理的機構を取り入れて、生態的、物理的、社会的環境の変化への適応的応答を理解する進化生態学の新しいパラダイム確立を目指す。対象として陸上動物や植物を含め、性に限らずより一般の形質を扱う。今年度は「淡水と海水を行き来する魚の浸透圧調節の塩類細胞の最適組成」について取り組んだ。
淡水域と海水域を行き来する魚は、浸透圧調節が必要である。浸透圧調節に貢献する細胞は塩類細胞とよばれ、海水適応細胞、淡水適応細胞、可塑性細胞の３種類がある。淡水と海水を行き来するとき、それぞれの細胞数が変わるが、それには時間がかかる。また細胞を作り出すにも維持するにもコストがかかる。将来の環境変動の可能性を考慮しながら、全体のコストを最小化するよう３種類の細胞数を決めると考えて、ダイナミックプログラミングにより、この問題に迫った。この動的最適化による研究については、本科研費課題を執行する前に、予備的解析ですでに成果を得ており、Journal of Theoretical Biologyに2022年に掲載されている（Uchiyama, Iwasa, Yamaguchi 2022, 基盤C 19K06838）。
浸透圧の内分泌調節として、成長ホルモン、コルチゾル、プロラクチンといった３つのホルモンが関わっている。この知見をUchiyama et al.(2022) のモデルに組み込むことで、内分泌調節と個体の環境応答をつなぐモデルに発展させるために、まずはこれらのホルモンの相互作用について文献調査を行った。その結果、実証的知見の不足している部分があるため、妥当な関数形の選択が今後の課題となることが判明した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

魚における浸透圧調節を司る塩類細胞組成において、内分泌調節と個体の環境応答をつなぐモデルを令和４年度中に完成させることを目指していたが、浸透圧調節に関わる３つのホルモンの相互作用について未知な部分もあり、どのような関数形を選ぶことが妥当かを検討する課題が残り、モデルの完成には至っていない。そのため、研究発表の成果を残せなかった。

Strategy for Future Research Activity

[1] 淡水と海水を行き来する魚の浸透圧調節の塩類細胞の最適組成モデル（内分泌調節と個体の環境応答をつないだモデル）を完成させ、数理的解析を終えて、原著論文にまとめることを目指す。
[2]新しい課題として、「爬虫類における温度依存性決定のメカニズム」の研究を進める。爬虫類の多くは、母親が卵を産み落とした場所の温度で、孵化時に性別が決まる。研究代表者は、性ホルモンとアロマターゼ遺伝子の発現に注目して酵素反応系を考慮し、温度によって酵素反応の速さが変わるときに、雄性／雌性ホルモンの相対量が変化するため、性ホルモン量の多い性に分化するというモデルを解析した（Yamaguchi & Iwasa 2018, 若手研究(B)16K18624の成果）。この研究経験を活かして、本研究では最近発見された温度性決定にかかわる温度センサーチャネルに注目する。ワニにおいて、高温で反応するTrpv4タンパク質が雄になる温度を受容すると、精巣をつくる遺伝子発現が活性化され、雄の性を誘導することがわかっている。またカメでは逆に低温で反応するチャネルがあるということが予測されている。温度センサーチャネルの働き方で温度性決定の複数のパターンを説明するモデルを構築し、未発見の爬虫類の温度性決定を予測することを目指す。