有孔虫殻の微量元素はなぜ種によって異なるのか-殻形成中の微細構造観察から迫る

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H06074
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 独立行政法人国立科学博物館
• 研究代表者: 長井 裕季子 独立行政法人国立科学博物館, 地学研究部, 協力研究員 (20822612)
• 研究期間 (年度): 2018-08-24 – 2020-03-31
• キーワード: 電子顕微鏡 / バイオミネラリゼーション / 有孔虫 / FIB(集束イオンビーム) / カルサイト

研究実績の概要

石灰質有孔虫殻の微量元素組成・同位体がなぜ種によって異なるのかまだわかっていないが、プロキシーの信頼性向上の為にも細胞レベルでの元素の取り込みプロセスを理解する必要性がある。先行研究において石灰化時に殻形成部位と外界を隔絶する有機膜の存在が明らかになり、その有機膜の「水密性」が元素の取り込みに関与しているという仮説を立てた。本研究では有孔虫の殻形成プロセス解明のために殻形成中の試料を固定し、殻形成部位を覆う有機膜構造の違い、すなわち外界との「水密性」を殻のMg含有率の異なる3種の有孔虫で比較することを目的としている。
本年度は研究対象としているMg含有率の異なる3種類の有孔虫(Cibicides属、Rosalina属、Planoglabratella属)を岩礁地から採取し、単離した。単離した有孔虫を飼育し、まずは殻形成を誘導する条件を検討した。Rosalina属では餌の与え方を工夫することで石灰化誘導させられることがわかった。Planoglabratella属では細胞内に盗葉緑体を保持している為、明暗サイクルの暗条件下において石灰化を開始することが多い事がわかった。Cibicides属においてはまだ石灰化誘導には至っていない状況である。
石灰化誘導に成功した2属においては殻形成の全過程を把握する為に殻形成が始まるとその様子を倒立顕微鏡を用い詳細なタイムラプス観察を行った。また一部の試料を走査型電子顕微鏡観察用に生物固定行い、まとまった数が揃い次第順次、臨界点乾燥法を用い処理を行った。
本年度はエジンバラで開催された国際有孔虫会議でポスター発表を行った。欧州地球科学連合の学会誌BiogeoscienceにAmmonia属における全殻形成過程の詳細なタイムラプス観察と走査型電子顕微鏡による殻形成部位を囲む有機膜構造の形成と炭酸カルシウムの沈着の様子をまとめた論文が掲載された。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究対象としているMg含有率の異なる有孔虫Cibicides属（Mg/Ca比で約5mmol/mol）とRosalina属（同20mmol/mol）、Planoglabratella属（同100mmol/mol）を岩礁地から採取し、有孔虫を単離した。単離した有孔虫をシャーレ内で飼育し、石灰化誘導条件を探索している。Biogeoscienceに報告したAmmonia属においては給餌するタイミングを工夫することで、複数個体をほぼ同時に石灰化誘導させることに成功している。Rosalina属においてはAmmonia属と同様の方法で、石灰化誘導を行えることがわかった。細胞内に盗葉緑体を保持しているPlanoglabratella属においては明暗サイクルの暗条件下で石灰化を開始することがわかった。Cibicides属においてはまだ誘導条件は定まっておらず、また石灰化の観察例も限定的である。その為、多くの個体を採取し誘導条件を探っている段階である。
石灰化誘導を行い、殻形成が始まった個体が得られた後、全殻形成過程を把握するために、倒立顕微鏡を用いてタイムラプス観察を行っている。形成する殻の大きさにもよるが、殻形成にかかる時間はRosalina属では8時間程度、Planoglabratella属では24時間程度と属により大きく異なることがわかった。Rosalina属では殻形成の初期において新しく作られる殻の形に細胞質が露出し、その表面に炭酸カルシウムが沈着する様子が見られ、細胞質によって殻の形を決めているように見える。しかしPlanoglabratella属では、殻がしっかりと形成され、最終段階で細胞質が移動するなどの違いが観察された。
また殻形成中の個体を一部生物固定し、走査型電子顕微鏡観察(SEM)用の処理を順次行っている。処理を行った一部試料はSEM観察を行い、有機膜の構造観察に着手した。

今後の研究の推進方策

1.石灰化誘導条件の検討と殻形成試料の処理
今後は対象としている有孔虫をさらに飼育個体を増やし、石灰化中観察事例と観察個体数を増やす。具体的には現在石灰化誘導において順調なRosalina属及びPlanoglabratella属においては本年度最適化された条件下で飼育を行う。個体数を増やし、得られた石灰化誘導条件下で飼育し殻形成中の個体を多く得る。石灰化誘導条件がまだ見出せていないCibicides属においては、個体数を増やし条件を振って検討を行う。Cibicides属において石灰化誘導が難しいようであれば、同じくMg/Ca含有率の低いElphidium属に切り替えて実験を行うことを視野にいれている。Elphidium属においては石灰化誘導条件が定まりつつあり、付着性の小型珪藻を餌として密度濃く与えかつ明暗サイクルの暗条件下において石灰化が誘導されるという知見が得られつつある。引き続き殻形成の全体像把握のための詳細なタイムラプス観察を行う。合わせて殻形成中の個体はSEM観察用に生物固定する。
2.走査型電子顕微鏡観察
生物固定した殻形成中の試料に対し臨界点乾燥法を用いて電子顕微鏡観察用の試料処理を行う。処理後の試料はSEMを用いて殻形成部位の有機膜構造を観察し、Mg含有率の違う属ごとに、膜構造の水密性に違いがあるかを比較検討する。さらにSEM試料室内で集束イオンビーム(FIB)を使用し微細加工を施し、殻の横断面を得て殻形成部位の有機膜構造と沈着した炭酸カルシウム結晶の関係性を観察し、比較検討を行う。また得られた殻の横断面に対してEDSによる元素マッピングを行う予定である。本年度は特に走査型電子顕微鏡を使用した観察事例の蓄積に力を入れる。

研究成果

• [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 ページ: 54～62
  • DOI: https://doi.org/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 ページ: 6773～6789
  • DOI: https://doi.org/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] 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: 67
  • DOI: DOI: 10.3389/fmars.2018.00067
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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: DOI:10.1016/j.marenvres.2018.03.015
  • 査読あり / 国際共著
• [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, Katsuyuki Uematsu
  • 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] 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 and 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 and Takashi Toyofuku
  • 学会等名: International Symposium on Foraminifera (FORAMS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Test density of Ammonia sp. under variable pH (2018)
  • 著者名/発表者名: Takashi Toyofuku, Yukiko Nagai, Katsunori Kimoto, Osamu Sasaki
  • 学会等名: JpGU meeting 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Ultra-microstructures of foraminiferal calcification observed using focused ion beam microscopy (2018)
  • 著者名/発表者名: Yukiko Nagai, Takashi Toyofuku
  • 学会等名: JpGU meeting 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Transcript assembly and quantification by RNA-Seq identifies candidate genes for foraminiferal biomineralization of Ammonia beccarii (2018)
  • 著者名/発表者名: Yurika Ujiie, Yoshiyuki Ishitani, Shunichi Ishii, Yukiko Nagai, Yoshihiro Takaki, Takashi Toyofuku
  • 学会等名: International Symposium on Foraminifera (FORAMS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Phylogenomic approach to the early evolution of Foraminifera (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshiyuki Ishitani, Yurika Ujiie, Euki Yazaki, Takashi Toyofuku, Yuji Inagaki
  • 学会等名: International Symposium on Foraminifera (FORAMS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] 例外的に伸長が早い有孔虫の石灰化速度の推定 (2018)
  • 著者名/発表者名: 長井裕季子, 豊福高志
  • 学会等名: 第13回バイオミネラリゼーションワークショップ
• [学会発表] 石灰化有孔虫における殻形成プロセス研究の進捗-現生有孔虫観察が切り拓く新たな地平- (2018)
  • 著者名/発表者名: 豊福高志, 長井裕季子
  • 学会等名: 第4回地球環境史学会年会
• [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, 生田哲郎
  • 学会等名: 第13回バイオミネラリゼーションワークショップ
• [学会発表] 浮遊性有孔虫の持つカルサイト針状突起の解析と類似体の合成 (2018)
  • 著者名/発表者名: 泉田健太, 高崎美宏, 長井裕季子, 緒明佑哉, 豊福高志, 今井宏明
  • 学会等名: 日本化学会秋季事業 第8回CSJ化学フェスタ2018
• [学会発表] 蛍光プローブを用いた可視化手法による炭酸塩鉱物の成長/溶解プロセスの観察 (2018)
  • 著者名/発表者名: 川野潤, 上田暁之, 豊福高志, 長井裕季子, 田中淳也, 永井隆哉
  • 学会等名: JpGU 2018
• [学会発表] 蛍光プローブを用いた2次元可視化手法による結晶溶解プロセス観察 (2018)
  • 著者名/発表者名: 川野潤, 豊福高志, 長井裕季子, 田中淳也, 永井隆哉
  • 学会等名: 第47回結晶成長国内会議