品種間差異を利用したハスの花の発熱・恒温性機能の解明

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K21305
• Research Institution: Chuo University
• Principal Investigator: 馬場 まゆら (高田まゆら) 中央大学, 理工学部, 准教授 (10466807)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 樋口 洋平 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 准教授 (00746844) ; 郭 威 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 助教 (70745455)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2023-03-31
• Keywords: 送粉生態系 / 花の発熱 / 画像解析 / 自動撮影 / 深層学習 / 物体識別

Outline of Annual Research Achievements

ハスは、花托と呼ばれる花の中心部分が発熱し、約4日間の開花中30～37度の間に維持される恒温性という機能を持つ。本研究は、東京大学附属生態調和農学機構のハス見本園において複数の品種のハス花を対象に花托の発熱パターンを調べ品種間での形態的及び遺伝的変異を利用して、目的①「ハス花の発熱が訪花昆虫を誘引し結実率を高める」という仮説の検証及び目的②ハス花の発熱・恒温性に関連する遺伝子の同定を行っている。目的①に関しては、発熱器官である花托を切開・切除したハス花と対照となるハス花で訪花昆虫を自動撮影カメラで記録し比較したところ、前者の花は後者の花と比較して昆虫の訪花頻度が大幅に少なくなることが確認された。花托の操作により発熱の程度が低下した結果、訪花昆虫が少なくなったと考えられた。また、頻繁にハスを訪花する昆虫グループやハス結実率に影響を与える昆虫グループを特定した結果を論文にまとめ、国際誌に投稿した。さらに5秒間隔で撮影された画像を利用し、AIによる訪花昆虫の検出及び訪花活動の分析手法の開発を行った。その結果、重要な訪花昆虫であるミツバチの自動検出および訪花活動の分析が可能となった。目的②に関しては、前年度に実施した予備的なトランスクリプトーム解析の結果をふまえ、開花前後の花托温度変化を経時的に記録した。開花1日目（発熱）と開花5日目（非発熱）の花托、および開花1日目の花弁、雄ずい、雌ずいをサンプリングし、RNA-seqによる網羅的発現解析を実施した。その結果、昨年の実験と同様に約25000種類の遺伝子発現が検出され、開花1日目の花托で特異的に発現上昇する遺伝子を921個同定した。このうち、花托の発熱に関与すると考えられるalternative oxidase(AOX), uncoupling proteins(UCPs)の発現変動が確認された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は、ハス花を操作した野外実験により本研究の目的①の重要な仮説を検証することができたことから、概ね順調に進展していると言えるだろう。一方で、まだ十分な繰り返し数を得ることができていないため、今後は引き続き野外実験を継続する。現在撮影に使用しているカメラは市販の防水機能付きタイムラプスカメラ（TLC200, Brinno Incorporated, Taipei）であった。カメラをハスの花に向けて設置し、5秒間隔で撮影しすべての画像を10フレーム/秒のレートで動画に変換した。動画による動く物体の検出及び深層学習によるミツバチの識別モデルを構築し、1日分のハス花の時系列画像（午前4時から午後7時に撮影した画像）を用いて提案した手法を実行することで、1日分の訪花ミツバチの総数を出力することができ、訪花ミツバチ数の推定や日中が訪花ミツバチ数に与える影響など、ミツバチの訪花行動の理解に繋がった。目的②に関しては、開花前後の花托温度の経時的な測定の結果、開花4日目には発熱がみられなかったことから、開花1日目と5日目の花托、および1日目の各花器官からRNAを抽出し、RNA-seq解析により遺伝子発現変動を比較した。開花1日目の花托 (D1_Receptacle)と5日目の花托 (D5_Receptacle)で発現変動のあった遺伝子のうち、花托の発熱に関与すると考えられるAOX (LOC104596341, LOC104596340), UCPs (LOC104608597, LOC104603747)遺伝子をそれぞれ2種類ずつ検出した。これらの遺伝子は発熱中のD1_Receptacleで発現上昇していたことから、RNA-seq用のサンプリング時期が概ね適正であると考えられた。

Strategy for Future Research Activity

目的①に関して次年度は、前述の通り野外実験を継続することに加え、これまでの結果で示唆された「ハス花の花托の切開・切除処理が昆虫の訪花頻度を低下させる」が生じるメカニズムを明らかにするための新たな実験を行う。またこれまで利用していた市販のタイムラプスの解像度が低いため、ミツバチより小さい昆虫の画像による同定が難しいことから、解像度の高いカメラシステムを利用する予定である。こうした新しい撮影システムで撮影した画像を利用し、様々な訪花昆虫の識別や訪花行動の分析ができるようにしていく。目的②に関しては、これまでに得られているRNA-seqデータに加え、今年度新たにサンプル数（花弁、雄ずい、雌ずい等）を増やしてRNA-seq解析を実施する。昨年までのRNA-seqデータと統合し、GO解析やクラスター解析を実施し、既報のAOX、UCPs遺伝子以外の発熱関連遺伝子の発現動態を明らかにする。

Causes of Carryover

令和3年度もコロナの影響により野外調査を縮小せざるを得ない状況であったため、経費の使用も予定通りには進まなかった。

Research Products

• [Presentation] Detecting and Studying Honey Bees Visiting Behavior in Lotus Flowers. (2021)
  • Author(s): Grison, S., Takada, M.B., Higuchi, T., Ishikawa, T., Baba, Y.G., Fukatsu, T., Guo, W.
  • Organizer: The 8th International Horticulture Research Conference.
  • Int'l Joint Research