有孔虫における殻形成機構の解明―石灰化のブラックボックスを開く―

• 研究課題/領域番号: 17H02978
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 層位・古生物学
• 研究機関: 高知大学
• 研究代表者: 氏家 由利香 高知大学, 教育研究部自然科学系理工学部門, 准教授 (20573041)
• 研究分担者: 豊福 高志 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(超先鋭技術開発プログラム), 主任研究員 (30371719) ; 石谷 佳之 筑波大学, 計算科学研究センター, 研究員 (60772043) ; 生田 哲朗 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 地球環境部門(海洋生物環境影響研究センター), 技術研究員 (80584846)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円); 2019年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2018年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2017年度: 9,230千円 (直接経費: 7,100千円、間接経費: 2,130千円)
• キーワード: トランスクリプトーム解析 / バイオミネラリゼーション / 有孔虫 / カルシウムシグナリング / バイミネラリゼーション / 単細胞真核生物 / トランスクリプトーム / ゲノム / RNA-seq / ゲノム解析 / バイオミネラリぜーション / 発現解析 / 進化 / ガラス質石灰殻 / 遺伝子

研究成果の概要

本研究は、これまで全く未知であった有孔虫の石灰質殻の形成に関する遺伝子群の同定を行い、殻代謝経路の推定に成功した。殻形成・非形成の個体各々から抽出したRNAを用い、比較トランスクリプーム解析を行った。細胞成長とそれに必要なエネルギー生成に関する遺伝子群の高発現を検出した。この経路でカルシウムイオンは必須であるが、過多になると細胞死などを招くため、細胞内・外へのやり取りが大変活発である。また、重炭酸イオンを代謝する炭酸脱水素酵素や細胞外へ排出するイオンチャネル遺伝子の発現も検出された。このように、細胞成長に伴うカルシウムイオンの伝達と排出が、結果的に石灰質殻の形成に結びつくことがわかった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

有孔虫のバイオミネラリゼーションに関連する生理現象を包括的に捉える事により、石灰化の分子機構を明らかにすることに世界で初めて成功した。進化的な側面も踏まえ、バイオミネラルの新しい機能について提案した。
石灰化に関する遺伝子群の検出は、海洋温暖化や酸性化など、環境変化に対する生物応答を検証する上で、具体的な候補遺伝子を挙げる事ができ、環境問題について遺伝子発現の違いなど異なる切り口で取り組む基盤を本研究は構築した。

研究成果

• [国際共同研究] University of Urbino/University of Siena(イタリア)
• [雑誌論文] Nanoparticle-Biological Interactions in a Marine Benthic Foraminifer (2019)
  • 著者名/発表者名: Ciacci Caterina、Grimmelpont Margot V.、Corsi Ilaria、Bergami Elisa、Curzi Davide、Burini Debora、Bouchet Vincent M. P.、Ambrogini Patrizia、Gobbi Pietro、Ujiie Yurika、Ishitani Yoshiyuki、Coccioni Rodolfo、Bernhard Joan M.、Frontalini Fabrizio
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 19441-19441
  • DOI: 10.1038/s41598-019-56037-2
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Foraminiferal Ultrastructure: A perspective From Fluorescent and Fluorogenic Probes (2019)
  • 著者名/発表者名: Frontalini F.、Losada M. T.、Toyofuku T.、Tyszka J.、Golen J.、Nooijer L.、Canonico B.、Cesarini E.、Nagai Y.、Bickmeyer U.、Ikuta T.、Tsubaki R.、Besteiro Rodriguez C.、Al‐Enezi E.、Papa S.、Coccioni R.、Bijma J.、Bernhard J. M.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Biogeosciences 巻: 124 号: 9 ページ: 2823-2850
  • DOI: 10.1029/2019jg005113
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 海に住む単細胞性石灰化生物 有孔虫の殻形成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 豊福 高志、長井 裕季子
  • 雑誌名: 日本結晶成長学会誌 巻: 46 号: 3 ページ: n/a
  • DOI: 10.19009/jjacg.46-3-02
  • NAID: 130007744151
  • ISSN: 0385-6275, 2187-8366
  • 査読あり
• [雑誌論文] Advanced approach to analyzing calcareous protists for present and past pelagic ecology: comprehensive analysis of 3D-morphology, stable isotopes, and genes of planktic foraminifers (2019)
  • 著者名/発表者名: Ujiie, U., Kimoto, K., Ishimura, T.
  • 雑誌名: PLoS ONE 巻: e0213282 号: 3 ページ: 1-19
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0213282
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Perspective on the response of marine calcifiers to global warming and ocean acidification?Behavior of corals and foraminifera in a high CO2 world “hot house” (2019)
  • 著者名/発表者名: Kawahata Hodaka、Fujita Kazuhiko、Iguchi Akira、Inoue Mayuri、Iwasaki Shinya、Kuroyanagi Azumi、Maeda Ayumi、Manaka Takuya、Moriya Kazuyoshi、Takagi Haruka、Toyofuku Takashi、Yoshimura Toshihiro、Suzuki Atsushi
  • 雑誌名: Progress in Earth and Planetary Science 巻: 6 号: 1 ページ: 1-37
  • DOI: 10.1186/s40645-018-0239-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of Euxinic Conditions on Planktic Foraminifers: Culture Experiments and Implications for Past and Future Environments (2019)
  • 著者名/発表者名: Kuroyanagi Azumi、Toyofuku Takashi、Nagai Yukiko、Kimoto Katsunori、Nishi Hiroshi、Takashima Reishi、Kawahata Hodaka
  • 雑誌名: Paleoceanography and Paleoclimatology 巻: 34 号: 1 ページ: 54-62
  • DOI: 10.1029/2018pa003539
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Weaving of biomineralization framework in rotaliid foraminifera: implications for paleoceanographic proxies (2018)
  • 著者名/発表者名: Nagai Yukiko、Uematsu Katsuyuki、Chen Chong、Wani Ryoji、Tyszka Jaroslaw、Toyofuku Takashi
  • 雑誌名: Biogeosciences 巻: 15 号: 22 ページ: 6773-6789
  • DOI: 10.5194/bg-15-6773-2018
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Decalcification and survival of benthic foraminifera under the combined impacts of varying pH and salinity (2018)
  • 著者名/発表者名: Charrieau Laurie M.、Filipsson Helena L.、Nagai Yukiko、Kawada Sachiko、Ljung Karl、Kritzberg Emma、Toyofuku Takashi
  • 雑誌名: Marine Environmental Research 巻: 138 ページ: 36-45
  • DOI: 10.1016/j.marenvres.2018.03.015
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Reading the Fine Print: Ultra-Microstructures of Foraminiferal Calcification Revealed Using Focused Ion Beam Microscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Nagai Yukiko、Uematsu Katsuyuki、Wani Ryoji、Toyofuku Takashi
  • 雑誌名: Frontiers in Marine Science 巻: 5 ページ: 1-15
  • DOI: 10.3389/fmars.2018.00067
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hierarchical textures on aragonitic shells of the hyaline radial foraminifer Hoeglundina elegans (2017)
  • 著者名/発表者名: Nakajima, K., M. Suzuki, Y. Nagai, K. Izumida, Y. Oaki, T. Toyofuku, J. Bijma, G. Nehrke, M. Raitzsch, K. Tani and H. Imai
  • 雑誌名: CrystEngComm 巻: 19 号: 47 ページ: 7191-7196
  • DOI: 10.1039/c7ce01870c
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The Impacts of Seawater Mg/Ca and Temperature on Element Incorporation in Benthic Foraminiferal Calcite (2017)
  • 著者名/発表者名: de Nooijer L. J.、van Dijk I.、Toyofuku T.、Reichart G. J.
  • 雑誌名: Geochemistry, Geophysics, Geosystems 巻: 18 号: 10 ページ: 3617-3630
  • DOI: 10.1002/2017gc007183
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] トランスクリプーム解析に基づく有孔虫の石灰化分子機構 (2020)
  • 著者名/発表者名: 氏家由利香，石谷佳之，石井俊一，長井裕季子，高木義弘，生田哲朗，豊福高志
  • 学会等名: 日本古生物学会2020年例会
• [学会発表] 有孔虫の大規模分岐年代推定 (2020)
  • 著者名/発表者名: 石谷佳之，矢崎裕規，氏家由利香，稲垣祐司
  • 学会等名: 日本古生物学会2020年例会
• [学会発表] Transcript assembly and quantification identify candidate genes for foraminiferal calcification (2019)
  • 著者名/発表者名: Ujiie, Y., Ishitani, Y., Ishii, S., Nagai,Y., Takaki, Y., Ikuta T., and Toyofuku, T.
  • 学会等名: JpGU meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] 有孔虫Ammonia beccariiのミトコンドリアに局在するDNA分子群 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石谷佳之，久米慶太郎，稲垣祐司
  • 学会等名: 日本共生生物学会2019年度大会
• [学会発表] Estimation of foraminiferal calcification process from live imaging and FIB-SEM approach (2019)
  • 著者名/発表者名: Toyofuku T., Nagai, Y.
  • 学会等名: JpGU meeting 2019
• [学会発表] 超微細構造などから推測される底生有孔虫Ammoniaの殻形成機序 (2019)
  • 著者名/発表者名: 豊福高志, 長井裕季子
  • 学会等名: 第14回バイオミネラリゼーションワークショップ
• [学会発表] 微化石ができる最初の一歩-ここまでわかった現生有孔虫の殻形成- (2019)
  • 著者名/発表者名: 豊福高志
  • 学会等名: 日本古生物学会2019年年会
  • 招待講演
• [学会発表] Independent evolution between cell shape and shell materials in foraminifers (2018)
  • 著者名/発表者名: Ujiie Yurika, Ishitani Yoshiyuki
  • 学会等名: JpGU Meeting 2018
• [学会発表] Transcript assembly and quantification by RNA-seq identified candidate genes for foraminiferal biomineralization of Ammonia beccarii (2018)
  • 著者名/発表者名: Ujiie Yurika, Ishitani Yoshiyuki, Ishii Shunichi, Nagai Yukiko, Takaki Yoshihiro, Toyofuku Takashi
  • 学会等名: International Symposium on Foraminifera (FORAMS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] 有孔虫の炭酸塩の殻形成に関する分子機構－トランスクリプトーム解析から－ (2018)
  • 著者名/発表者名: 氏家由利香，石谷佳之，石井俊一，長井裕季子，高木義弘，豊福高志，生田哲朗
  • 学会等名: バイオミネラリゼーション研究会
• [学会発表] 有孔虫における殻形成機構の解明－石灰化のブラックボックスを開く－ (2018)
  • 著者名/発表者名: 氏家由利香，石井俊一，石谷佳之，高木義弘，細将貴，Salvatore Cosentino，岩崎渉
  • 学会等名: 新学術領域研究 先進ゲノム解析研究推進プラットフォーム 先進ゲノム支援 拡大班会議
• [学会発表] Phylogenomic approach to the early evolution of Foraminifera (2018)
  • 著者名/発表者名: Ishitani Yoshiyuki, Ujiie Yurika, Yazaki Euki, Toyofuku Takashi, Nagai Yukiko, Inagaki Yuji
  • 学会等名: International Symposium on Foraminifera (FORAMS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Calcite precipitation rate in foraminiferal calcite and impact on element incorporation (2018)
  • 著者名/発表者名: Esmee Geerken, Lennart de Nooijer, Takashi Toyofuku, Anne Roepert, Lubos Polerecky, Gert-Jan Reichart
  • 学会等名: International Symposium on Foraminifera (FORAMS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Proton pumping accompanies calcification in foraminifera (2018)
  • 著者名/発表者名: Takashi Toyofuku, Miki Y. Matsuo, Lennart Jan de Nooijer, Yukiko Nagai, Tetsuro Ikuta
  • 学会等名: International Symposium on Foraminifera (FORAMS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Formation Process of Organic membrane within calcareous test and early calcium carbonate deposition of benthic foraminifera Ammonia (2018)
  • 著者名/発表者名: Yukiko Nagai, Takashi Toyofuku, Chong Chen, Katsunori Uematsu
  • 学会等名: International Symposium on Foraminifera (FORAMS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Foraminiferal calcification and CO2 (2018)
  • 著者名/発表者名: Lennart de Nooijer, Takashi Toyofuku, Gert-Jan Reichart
  • 学会等名: International Symposium on Foraminifera (FORAMS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Foraminiferal ultrastructure: a perspective from fluorescent and fluorogenic probes (2018)
  • 著者名/発表者名: Fabrizio Frontalini, Maria Teresa Losada, Takashi Toyofuku, Jaroslaw Tyszka, Jan Golen, Lennart de Nooijer, Barbara Canonico, Erica Cesarini, Yukiko Nagai, Tetsuro Ikuta, Remi Tsubaki, Stefano Papa, Rodolfo Coccioni, Jelle Bijma, Joan M. Bernhard
  • 学会等名: International Symposium on Foraminifera (FORAMS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Combined impacts of ocean acidification and desalination: culture experiments on the coastal species Ammonia sp. and Elphidium crispum (2018)
  • 著者名/発表者名: Laurie Charrieau, Helena Filipsson, Yukiko Nagai, Sachiko Kawada, Karl Ljung, Emma Kritzberg, Takashi Toyofuku
  • 学会等名: International Symposium on Foraminifera (FORAMS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Fantastic voyage to the cellular functions of foraminiferal chamber formation (2018)
  • 著者名/発表者名: Toyofuku Takashi
  • 学会等名: International Symposium on Foraminifera (FORAMS 2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Test density of Ammonia sp. under variable pH (2018)
  • 著者名/発表者名: Toyofuku Takashi, Nagai Yukiko, Kimono Katsunori, Sasaki Osamu
  • 学会等名: JpGU meeting 2018
• [学会発表] Ultra-microstructures of foraminiferal calcification observed using focused ion beam microscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Nagai Yukiko, Toyofuku Takashi,
  • 学会等名: JpGU meeting 2018
• [学会発表] 浮遊性有孔虫１個体による同時３要素（遺伝子・形態・同位体）の分析法の新規開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 氏家 由利香，石村 豊穂，木元 克典
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting
• [学会発表] 原生生物・有孔虫の殻は当てにならないのか？ (2017)
  • 著者名/発表者名: 氏家 由利香，石谷 佳之
  • 学会等名: 日本進化学会
• [学会発表] Synthetical Analysis for Morphology, biological Species,and stable Isotopes (SAMSI) of single-cell planktonic foraminifer (2017)
  • 著者名/発表者名: Ujiie, Y., Ishimura, T., Kimoto, K.
  • 学会等名: AGU Fall meeting
  • 国際学会
• [学会発表] “いがい” と流されない海の原生生物 (2017)
  • 著者名/発表者名: 石谷佳之
  • 学会等名: 原生生物学会＆共生生物学会合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Molecular marker to identify radiolarian species -toward establishment of paleo-environmental proxy- (2017)
  • 著者名/発表者名: Ishitani, Y.
  • 学会等名: AGU Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Various imaging approaches revealing the secrets of foraminiferal calcification process (2017)
  • 著者名/発表者名: Toyofuku, T., Nagai, Y.
  • 学会等名: 15th Meeting of the International Association of Radiolarists
  • 国際学会
• [学会発表] Proton transportation of foraminifera for calcification (2017)
  • 著者名/発表者名: Toyofuku, T., Matsuo, Y. M., de Nooijer, J. L., Ikuta, T., Nagai, Y.
  • 学会等名: 14th International Symposium on Biomineralization
  • 国際学会
• [学会発表] Visualization of pH distribution around dissolving/growing calcium carbonate crystals in inorganic solution: a baseline to understand vital effect in biomineralization (2017)
  • 著者名/発表者名: Kawano, J., Toyofuku, T., Nishimura, K., Nagai, Y., Kawada, S., Teng, H., Nagai, T.
  • 学会等名: 14th International Symposium on Biomineralization
  • 国際学会
• [学会発表] Structure analysis and property evaluation of spines of planktonic foraminifera (2017)
  • 著者名/発表者名: Izumida, K., Takasaki, M., Nagai, Y., Okai, Y., Naito, K., Tanaka, Y., Toyofuku, T., Imai, H.
  • 学会等名: 14th International Symposium on Biomineralization
  • 国際学会
• [学会発表] Soft and hard tissue simultaneous observation on site of calcification in calcareous foraminifera. 14th International Symposium on Biomineralization (2017)
  • 著者名/発表者名: Nagai, Y., Uematsu, K., Toyofuku, T.
  • 学会等名: 14th International Symposium on Biomineralization
  • 国際学会
• [学会発表] Magical Proton Usage on Calcification of Ammonia beccarii -Acidify Environment to Realize Favorable pH at Calcification Site-, (2017)
  • 著者名/発表者名: Toyofuku, T.
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint meeting 2017
  • 国際学会
• [図書] Oceanography and Marine Biology: An annual Review (2019)
  • 著者名/発表者名: Fitzer, S.C., Chan, V.B.S., Meng, Y., Chandra Rajan, K., Suzuki, M., Not, C.A., Toyofuku, T., Falkenberg, L., Byrne, M., Harvey, B.P., De Wit, P., Cusak, M., Gao, K.S., Taylor, P., Dupont, S., Hall-Spencer, J., Vengatesen, T.
  • 総ページ数: 442
  • 出版者: CRC Press
• [図書] アメーバのはなし (2018)
  • 著者名/発表者名: 石谷佳之、土屋正史
  • 総ページ数: 152
  • 出版者: 朝倉書店
  • ISBN: 9784254171686