2021 Fiscal Year Research-status Report

Novel physiology of oceanic diatoms: they incorporate silicate minerals

Research Project

Project/Area Number	20K06226
Research Institution	Kyushu University
Principal Investigator	赤木右九州大学, 理学研究院, 教授 (80184076)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	珪藻 / ケイ酸塩鉱物の溶解 / 電子顕微鏡観察 / アルミニウム / 光透過性細胞外ポリマー粒子
Outline of Annual Research Achievements	珪藻は、専ら海水に溶存している栄養素のみを吸収し、成長すると考えられているが、私たちは、珪藻が微小なケイ酸塩鉱物粒子を溶解して、その中の元素を吸収することを示す幾つかの事実を得ていた。本研究は、珪藻の培養および珪藻が分泌する光透過性細胞外ポリマー粒子（Transparent Exopolymeric　Particles, TEP）に注目し、その未知の役割を解明し、さらにその作用が珪藻にどのような利益をもたらすかを明らかにすることを目的としている。今年度は、珪藻が鉱物の溶解すること、またその際に珪藻が分泌するTEPが鉱物の溶解に直接的に関係することを証明することに焦点を絞った。米国より購入した大型珪藻Coscinodiscus種を用いて、珪藻個体数、培養海水中のケイ酸濃度、TEP量の変化を調査し、これらの変化が珪酸塩鉱物の存在の有無によって受ける影響を培養実験により調査した。その結果、TEPの分泌が鉱物の存在や種類によって影響を受けることを明らかにした。また、大型珪藻を用いたことの利点を用いて、分析電子顕微鏡により、珪藻ケイ酸殻へのAlの取り込みを調べたところ、鉱物の存在による実際にAlの吸収量の変化を確認した。さらに、大型珪藻だけでなく、小型の珪藻を用いて、培養後の鉱物粒子表面の様子を観察し、溶解の痕跡の有無を観察した。また、蛍光指示薬を用いたTEP近傍のpHの測定を行った。それらの結果は皆、珪藻がケイ酸塩鉱物の溶解に寄与しているとする、本研究の命題を支持していた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 研究には、以下に示す、幾つかのブレイクスルーがあった。1) 鉱物の共存によるケイ酸殻中のAl濃度の変化が観察されたこと2)珪藻の共存により鉱物に溶解痕が観察されたこと　3)TEPの分泌量の共存鉱物依存性が見られたことこれらの結果は、珪藻がケイ酸塩鉱物の溶解に寄与しているとする、本研究の動機は正しかったことを意味している。以下に具体的に示す。前年度は用いたケイ酸塩鉱物中のAlに注目し、海水中のAlと珪藻ケイ酸殻中のAlを追跡調査する方針で臨んだが、海水はAlのコンタミネーションを受けやすく、培養実験のAl濃度を制御することは困難であることが分かったため、方針を変更し、ケイ酸殻の部位におけるAl変動に注目した。その結果、珪藻の殻のガードル部は二重構造になっていて、鉱物存在下で培養した珪藻の殻の外側のみが有意にAl濃度が高くなっていることが分かった。 TEPの分泌量は、ソウ長石の共存時に最も高く、共存鉱物がない時には最も少なかった。ソウ長石は溶解時にケイ酸イオンを生じるので、TEPの分泌はケイ酸の摂取を目的とした生理学的な行為であることを示唆した。培養後回収した鉱物を電験観測した結果、珪藻により特有の溶解痕が見られた。同様の培養実験を他の小型の珪藻二種でも行ったところ、溶解痕については、同様な現象が確認された。同時に、珪藻コロニーの様子に変化が見られた。小型の珪藻では、鉱物を覆うように珪藻のコロニーが成長していることが分かった。この成長は、ソウ長石で最も顕著で、鉱物依存性が見られた。この差異が統計的に有意かどうか、調査することにした。
Strategy for Future Research Activity	以上の研究より、珪藻がケイ酸塩鉱物を溶解するためにTEPを分泌するのはほぼ実験的に証明されたと考える。その目的は、不足気味となったケイ酸を摂取するためであるのはほぼ明らかといえるが、まだそのことによって実際に珪藻が恩恵を受け、個体数や光合成活動の増加を導いていることは示されていない。このことを示すデータが得られた時点で論文を投稿する。個体数や光合成活動の指標としてクロロフィル量の変化を追跡し、ケイ酸塩鉱物の存在が珪藻の活動にどのような影響を与えているかを調査する。可能性として、珪藻のピークが過ぎた後、光合成活動が長引く可能性が高いと考えられる。また、実際の海洋では、他の栄養素に比べケイ酸のみが回転時間が長く不足がちとなる可能性がある。光合成活動が衰えケイ酸に欠乏した時点で、ケイ酸を除く栄養を加えた時に、珪藻が継続的に増殖できることを確認することができるのではないかと考えている。
Causes of Carryover	コロナウィルスパンデミックにより、研究の機会、研究交流や発表の機会が大幅に減少したので、発表のための経費を次年度に確保した。学会発表、論文作成のためのコンピュータ、学会参加にかかる費用に加えて、出版費などに使用する予定である。