2020 Fiscal Year Research-status Report
Elucidation of the significance of cyanobacterial circudian clook in aquatic ecosystems
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18K05797
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Research Institution | Ryukoku University |
Principal Investigator |
吉山 洋子 龍谷大学, 農学部, 実験助手 (80519968)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉山 浩平 滋賀県立大学, 環境科学部, 准教授 (90402750)
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Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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Keywords | シアノバクテリア / 湖沼生態系 / 生物時計 / 理論モデル / 鉛直移動 |
Outline of Annual Research Achievements |
これまでの概日時計研究は,原核生物のシアノバクテリアで特によく進んでいるが,その仕組みの解明に主眼が置かれ,生態系での適応的意義に関する研究は遅れている.自然生態系では近年研究が始まったばかりで,海洋性シアノバクテリアの多くが概日リズムを持つことが明らかになっているが,研究の中心は海洋で,淡水域では殆ど調べられていない.そこで本研究では,淡水域を中心に「シアノバクテリア生物時計の,水域生態系における適応的意義を野外調査(テーマ1)及び室内実験(テーマ2)において検証する」ことを目的に研究を行なった. テーマ1(淡水域生態系におけるシアノバクテリア時計遺伝子保持の検証):琵琶湖北湖および南湖等で野外調査を行い,シアノバクテリアの単離を行なった.更に今後,取得した株の時計遺伝子の解析を行う.テーマ2(シアノバクテリア体内時計の適応的意義の実験的検証):野外においても「内生リズムと環境周期の一致が生存を有利にさせる」ことが予測される.そこで,野外からの取得株で,昼夜リズムと生理活性(増殖速度と光合成活性)の関係を明らかにする.複数の明暗周期下で培養を行ない,各株の内生リズムと実際の昼夜周期との比較を行う. さらに当初のテーマに追加して昨年度からシアノバクテリア体内時計の適応的意義に関する理論の構築を開始した(テーマ3).シアノバクテリアの細胞比重は炭水化物の貯蔵量とともに変化し,その生成(比重増加)・消費(比重減少)に従いシアノバクテリアコロニーは水柱を鉛直移動する.この生理メカニズムに基づく鉛直移動モデルを解析した結果,コロニーサイズに応じて日周鉛直移動や隔日鉛直移動,不規則周期鉛直移動(カオス)といった鉛直移動パターンが得られた.この結果は体内時計を保持せず光環境に応じ光合成を行う場合,規則的な昼夜日射環境下においても不規則な鉛直移動パターンに陥る可能性を示唆している.
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年度は,琵琶湖由来のシアノバクテリアの単離の継続及び,得られたシアノバクテリアの時計遺伝子の解析(テーマ1),実験室において内生リズム測定を行う予定であった(テーマ2).野外調査は,前年度に引き続き,琵琶湖北湖表水層および南湖において,表水層,クロロフィルピーク,水温躍層,深水層等で採水を行った.その他,水槽等の淡水生態系においてもサンプルの取得を行った.採取した試水を処理,培養し,藻類の単離を行なった.得られた藻類は,蛍光顕微鏡を用いてシアノバクテリアと他種の判別を行った.今年度,単離を行った藻類は,全て真核藻類で,新規シアノバクテリアを単離することはできなかった.引き続き現在,琵琶湖外も含めた淡水域で,新規シアノバクテリアの単離を継続して試みている. テーマ3の新たに開始した理論研究は本研究課題を進める上で生じた新たなテーマである.これについて,すでにモデルの構築,数値計算が完成しており, 次年度中に論文を投稿する予定である.
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Strategy for Future Research Activity |
・テーマ1(野外調査)淡水域生態系におけるシアノバクテリア時計遺伝子保持の検証:野外からの新規シアノバクテリアの単離を継続する.培養方法は文献等を参考に改良を進める.単離株は,時計遺伝子およびその相同遺伝子の解析を行う.これらより,淡水性シアノバクテリアの時計遺伝子の保有率と時計遺伝子の多様さを明らかにする.海洋に比べ,環境変動の大きい淡水域では,時計遺伝子は生存に必須であり,欠損する種はないと予想している. ・テーマ2(室内実験)シアノバクテリア体内時計の適応的意義の実験的検証:野外からの単離株を用いて仮説検証を行う.具体的には,微量溶存酸素測定システムを用い,様々な明暗周期下で培養を行い,生理活性指標(増殖速度,光合成活性)を最大化する周期を調べる.各株の内生リズムと生息していた時期の昼夜周期を比較する.内生リズムは恒明条件下でも周期が変化しにくい光合成系遺伝子または時計遺伝子の発現解析によって求める.培養実験はOuyang et al.1994に従う.増殖速度測定は蛍光顕微鏡法より算出する.光合成活性測定は,明暗瓶法を改良して用いる.本実験結果より,シアノバクテリアの内生リズムに対し,明暗周期の生理活性への影響を解析し,概日時計が生存競争に与える影響を考察する.本実験の結果は,reproductive fitnessは,各株の野外での昼夜周期と一致した明暗周期において,最大化されると予測される. ・テーマ3(理論モデル)シアノバクテリア鉛直移動モデルの解析結果から,コロニーサイズに応じて通常見られる日周鉛直移動以外にもカオス鉛直移動が生じることが明らかとなった.カオス振動を引き起こすメカニズムは,コロニーサイズに応じた内因性周期とそこに与えられる昼夜24時間の外因性周期のミスマッチがあることを予想している.これを示すための数学解析を行い,結果を得て論文を投稿する.
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Causes of Carryover |
今年度は新型コロナウイルス感染症流行による,大学・研究室の入校制限,調査船の利用停止等により,長期間にわたって研究の中断を余儀なくされた.これにより今年度行うはずであった研究に関連する物品の購入・出張等ができなかったため,使用額に差が生じた.次年度は,今年度の研究計画分も含めて計画を遂行する.計画に応じて,消耗品購入,学会参加等に充ていく計画である.
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