季節性のない熱帯雨林での時系列トランスクリプトームによる環境認識・記憶の解析

• 研究領域: 植物の成長可塑性を支える環境認識と記憶の自律分散型統御システム
• 研究課題/領域番号: 18H04785
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 横浜市立大学
• 研究代表者: 清水 健太郎 横浜市立大学, 木原生物学研究所, 客員教授 (10742629)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 10,140千円 (直接経費: 7,800千円、間接経費: 2,340千円); 2019年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2018年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
• キーワード: トランスクリプトーム / 植物

研究実績の概要

複雑に変化する野外環境での植物の環境認識と記憶を解明するために、研究室での制御環境下に加えて、熱帯および温帯の野外環境下でモデル生物・非モデル生物の遺伝子発現と表現型の解析を行った。モデル植物シロイヌナズナの野生17系統と葉面上に毛（トリコーム）のない2つの変異体を日本とスイスの野外圃場環境で栽培した。すると、ノミハムシ、アブラムシ、コナガなど、15種もの昆虫からなる群集が植物上に観察され、系統によって種組成が異なることがわかった。ゲノム全体の遺伝子発現を解析したところ、昆虫に対する防御物質であるカラシ油配糖体合成系の遺伝子発現が、野生系統間で大きく異なっていることが分かった。中でもAOP3遺伝子の発現量は、植物体上のアブラムシの量と相関が見られ、実験的にもアブラムシによる誘導が確認できた。さらに、トリコームの欠損するglabra1突然変異体では昆虫群集が変化していた。つまり、GLABRA1遺伝子は、植物の毛だけでなく、昆虫数という延長された表現型にも影響することが分かった。熱帯樹木の遺伝子発現を解析したところ、降水量に年変動が存在しない熱帯でも、乾燥が遺伝子発現に大きな影響を与えていることを見いだした。乾燥下ではモデル植物と同様にアブシジン酸関連の遺伝子の発現量が大きく変化した他、表現型の変化（開花や展葉等）を誘導する遺伝子の発現量に変化が見られた。また、エピゲノムに関連するカテゴリーの遺伝子に発現変化が大きく見られたことから、エピゲノム制御が環境記憶に関連する可能性が示唆された。これらの結果は、熱帯樹木の生物学的な現象に対する乾燥の重要性を評価できたともに、将来的に変動する熱帯の環境下において乾燥の強度や頻度が熱帯樹木に強い影響をもたらすことを示唆するものである。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] サラワク森林局/Forest Research Institute Malaysia(マレーシア)
• [国際共同研究] チューリッヒ大学・グローバル変化と生物多様性プログラム/地理学研究所/進化生物学・環境学研究所(スイス)
• [国際共同研究] University of Washington(米国)
• [国際共同研究] University of Zurich(スイス)
• [国際共同研究] University of Edinburgh(英国)
• [国際共同研究] Ajou University(韓国)
• [雑誌論文] Transcriptional Variation in Glucosinolate Biosynthetic Genes and Inducible Responses to Aphid Herbivory on Field-Grown Arabidopsis thaliana (2019)
  • 著者名/発表者名: Sato Yasuhiro、Tezuka Ayumi、Kashima Makoto、Deguchi Ayumi、Shimizu-Inatsugi Rie、Yamazaki Misako、Shimizu Kentaro K.*、Nagano Atsushi J.* (co-corresponding)
  • 雑誌名: Frontiers in Genetics 巻: 10 ページ: 1-1
  • DOI: 10.3389/fgene.2019.00787
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Plant trichomes and a single gene GLABRA1 contribute to insect community composition on field-grown Arabidopsis thaliana (2019)
  • 著者名/発表者名: Sato Yasuhiro、Shimizu-Inatsugi Rie、Yamazaki Misako、Shimizu Kentaro K.*、Nagano Atsushi J.* (co-corresponding)
  • 雑誌名: BMC Plant Biology 巻: 19 号: 1 ページ: 163-163
  • DOI: 10.1186/s12870-019-1705-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular basis of flowering under natural long-day conditions in Arabidopsis (2018)
  • 著者名/発表者名: Young Hun Song, Akane Kubota, Michael S. Kwon, Michael F. Covington, Nayoung Lee, Ella R. Taagen, Dianne Laboy Cintrテウn, Dae Yeon Hwang, Reiko Akiyama, Sarah K. Hodge, He Huang, Nhu H. Nguyen, Dmitri A. Nusinow, Andrew J. Millar, Kentaro K. Shimizu & Takato Imaizumi
  • 雑誌名: Nature Plants 巻: 4 号: 10 ページ: 824-835
  • DOI: 10.1038/s41477-018-0253-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Effects of rainfall exclusion on tropical emergent tree in Southeast Asian tropics (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuji Tokumoto, Masaki J Kobayashi, Masaomi Hatakeyama, Yuta Inoue, Yayoi Takeuchi, Bibian Anak Michael Diway, Daisuke Todaka, Tomonori Kume, Tomo'omi Kumagai, Tomoaki Ichie, Tohru Nakashizuka, Michiko Nakagawa, Shoko Sakai, Kentaro K. Shimizu
  • 学会等名: World Biodiversity Forum 2020, Davos Congress Centre, Davos, Switzerland
  • 国際学会
• [学会発表] Comparative molecular phenology of tropical plants in South-easi Asia (2020)
  • 著者名/発表者名: Chongmeng Xu, Yuji Tokumoto, Kentaro K. Shimizu
  • 学会等名: World Biodiversity Forum 2020, Davos Congress Centre, Davos, Switzerland
  • 国際学会
• [学会発表] Genomics for global change studies (2019)
  • 著者名/発表者名: Kentaro K. Shimizu
  • 学会等名: Global Change and Biodiversity: Integrating the impact of earth and world drivers across scales, Monte Verita, Switzerland
  • 国際学会
• [学会発表] Gene functions in natura - approaches using machine learning and mutants to analyze phenome, transcriptome and ecological data in naturally fluctuating environments (2018)
  • 著者名/発表者名: Kentaro K. Shimizu
  • 学会等名: The 41th Annual Meeting of the Molecular Biology Society of Japan, Yokoham
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 野外環境における植物の開花メカニズムを解明 ～『Nature Plants』に掲載～
  • URL: https://www.yokohama-cu.ac.jp/news/2018/201809shimizu_np.html