2018 Fiscal Year Research-status Report
Embryology and unique reproductive strategy on a worldwide distributed mayfly, Cloeon dipterum: Proposal for a new type of insect viviparity
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18K19361
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| Research Institution | Shinshu University |
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Principal Investigator |
東城 幸治 信州大学, 学術研究院理学系, 教授 (30377618)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2021-03-31
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| Keywords | 繁殖システム / 発生 / 新規の胎生 / 卵胎生 / 人工授精 / ハンドペアリング / 卵黄タンパク質 / 栄養供給 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
フタバカゲロウの繁殖システムの基礎的知見全般を深めることができた。まず、汎世界的に分布する極めて分散力の高い種として捉えられてきたものの、遺伝子解析の結果、世界的には7つの遺伝系統群が存在することが明らかとなった。このうち、日本や朝鮮半島に生息する系統は、欧米やアフリカの系統からは大きく分化した系統であることが明らかとなった。欧州系統では、産卵後に幼虫が孵化するとされるが、日本の系統では、例外なくメス体内で孵化が生じることが明らかとなり、この相違は遺伝系統群の違いに起因するものと推測している。これらの系統進化・系統地理的な成果については、国際誌に論文投稿し、minor revision の評価を得ている。
本種の卵形成において卵黄タンパク質性の蓄積は観察されずに、胚発生が進行することや、卵内には豊富に脂質が蓄積されていることが明らかとなってきた。卵黄タンパク質の前駆物質の有無を検出するための分子マーカーの作出に努めているところであり、本マーカーを開発することができれば、発生遺伝学的研究を大幅に進展させ得るものと期待している。また、発生学的研究を効率よく進める上では、常に胚発生ステージの観察ができることが理想的であるが、実験室内での飼育により羽化・脱皮をさせ、成虫を得るための飼育系を確立した。従来、空中での配偶飛翔ののちにオスが空中でメスを捉まえて交尾を行うことから、境内飼育は困難視されてきた。しかしながら、本研究において、カゲロウ目昆虫類のハンドペアリングによる人為交配技術を確立させ、異なる遺伝系統群のハンドペアリングにより誕生した子が両親のゲノムをモザイク的にもつことを検証した（Takenaka et al. 2019)。
以上のようにフタバカゲロウにおける発生遺伝研究は順調に進展しており、最重要である「新規胎生」問題に迫るための準備は、初年度内に着々と整えることができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
非モデル昆虫を対象とした特殊な繁殖システムに迫る研究課題であるが、初年度は、その一通りの胚発生過程を把握することによる基礎的知見の蓄積を目指した。これまでに幼虫の飼育系を確立し、冬季を除き、安定的に羽化・脱皮をさせて成虫を確保することができた。温室での飼育により、年間を通した安定的な研究材料の確保を目指している。
また初年度には、本種を含むカゲロウ目の様々な種群において、ハンドペアリングによる人為交配手法を確立し、既に論文公表するに至った。この技術確立は、実験室内での継代飼育に大きく寄与するものであり、ブレークスルー的な成果と言える。結果として、受精卵を年間を通して安定的に入手できる状況にかなり近づきつつあり、この技術により、既に長期シーズンにおいて、様々な発生ステージの観察が可能となった。また、フタバカゲロウの胚発生における特殊性（卵黄タンパク質の介在が認められない、異様に豊富な脂質など）も明らかとなってきた。
さらに、分子マーカを用いた系統進化・系統地理的な研究からは、日本列島や朝鮮半島の地域集団（東アジア系統）は欧米の遺伝系統群からは大きく分化した種内系統群であり、かつ、繁殖プロセスも大きく異なる可能性（東アジア系統は母体内で孵化した幼虫を直接的に産み出す一方で、欧州での観察では、幼虫ではなく、胚発生の終盤まで進行したステージの卵を産下するという相違点）も明らかとなった。そして、系統の違いが、繁殖システムの分化に寄与した可能性が示唆された。
2年目以降、様々な新規的アプローチも取り入れながら、本研究課題である「全くの新規的な胎生」を獲得するまでのプロセスや、欧州や東アジア地域の特殊性や、その特殊性を創出し得る所以などについても議論が深まりつつある。
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| Strategy for Future Research Activity |
ここまで順調に展開できていることを受け、この先は総本山である「繁殖システムの進化・変遷」に焦点を当てた研究を計画している。
具体的には、フタバカゲロウの卵内に卵黄タンパク質の有無や母体からの受給の有無、などを様々な実験から追究する計画である。卵黄タンパク質の前駆物質であるビテロジェン形成に関わる遺伝子コピーを効率的に増幅させるためのプライマー開発を目指している。卵内はもちろんのこと、卵巣や卵巣小管内、輸卵管内、その他母体の血体腔内など、局在化も含めて詳細に検討していく予定である。
また、昆虫類一般的な卵生の近縁種と、少なくとも卵胎生であり、新規胎生の可能性も示唆される点については、既に焦点を当てているビテロジェニンや卵黄タンパク質の存在などについて多角的にアプローチしていく計画である（組織化学的手法、分子遺伝学的手法など）。近縁な卵生種との比較の観点から、トランスクリプトーム解析など、機能をもつ遺伝子だけに着目した発生遺伝学的手法により、「胎生」問題に迫りたい。
また、卵生の近縁種との遺伝子発現の差分（サブトラクション）などを詳細に比較解析していることで、胎生に関わる遺伝子（群）の推察にも寄与できると考えている。遺伝子レベルで、「卵生→卵胎生（あるいは胎生）」へのモディフィケーションを徹底して追究したい。その上で、関与が期待される特定遺伝子群のオン／オフとの関連性の議論を深めたい。
以上のような特殊かつユニークな繁殖システムの確立の背景にある、遺伝的基盤や発生学的基盤を詳細に紐解くことを目指す。
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| Causes of Carryover |
初年度に、次世代シーケンス解析を計画していたものの、この解析をすることなく初年度に計画をしていた研究を遂行することができた。2年目に、いくつかの目的を兼ねる形で、次世代シーケンス解析を計画したく、当該解析にかかる経費 200千円分を初年度から2年目に繰り越すこととした。平成31年度（令和元年度）請求額は、当初の予定通り、次世代シーケンス解析として使用する予定である。
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