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

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19K21197
• 配分区分: 基金
• 研究機関: 国立研究開発法人海洋研究開発機構
• 研究代表者: 長井 裕季子 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), 技術スタッフ (20822612)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 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 / 微細構造観察

研究実績の概要

石灰質有孔虫殻の微量元素組成・同位体は様々な古環境間接指標として用いられているが、環境因子以外に種によっても異なることが知られており、バイタルエフェクトと呼ばれている。その変異は細胞レベルでの元素の取り込みプロセスに起因すると考えられているが、その詳細なプロセスは解明されていない。自身による先行研究において石灰化中の有孔虫の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っており、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為に殻のMg含有率の異なる3種の有孔虫で、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比較することを目的としている。
本年度は研究対象であるMg含有率の異なる3種類の有孔虫（Cibicides属、Rosalina属、Planoglabratella属）を飼育し、殻形成を誘導する条件の検討を行った。誘導条件はRosalina属は給餌の時期の工夫、Planoglabratella属では明暗サイクルの暗条件下であった。Cibicides属では誘導が難しかった為、Cibicides属と同等のMg含有率を示すElphidium属に変更したところ、明暗サイクルの暗条件下で石灰化誘導に成功し、条件検討を完了した。
誘導に成功した個体の全殻形成過程を把握する為に微分干渉顕微鏡による詳細観察とタイムラプスで映像を記録した。各種において１０例程の観察を通じて、種によって殻形成時間が大幅に異なり、Mg含有量の少ない種の方が殻形成にかかる時間が少ない傾向が示された。観察した個体の一部を走査型電子顕微鏡観察用試料として処理後、観察に供し殻形成の詳細な微細構造を記録した。
得られた成果は学会で発表し、専門研究者らと議論した。有孔虫の殻形成過程におけるpHと殻の微細構造の変遷に関する論文等の共著論文が掲載された。

研究成果

• [雑誌論文] Guanine crystals regulated by chitin-based honeycomb frameworks for tunable structural colors of sapphirinid copepod, Sapphirina nigromaculata. (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsubasa Kimura, Mihiro Takasaki, Ryosuke Hatai, Yukiko Nagai, Katsuyuki Uematsu, Yuya Oaki, Minoru Osada, Hiroyuki Tsuda, Takaaki Ishigure, Takashi Toyofuku, Shinji Shimode, Hiroaki Imai
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 ページ: 1-7
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-020-59090-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Shell formation of foraminifera -marine unicellular calcifiers- (2019)
  • 著者名/発表者名: Takashi Toyofuku, Yukiko Nagai
  • 雑誌名: Journal of the Japanese Association for Crystal Growth 巻: 46 ページ: 02
  • 査読あり
• [雑誌論文] Foraminiferal ultrastructure: a perspective from fluorescent and fluorogenic probes (2019)
  • 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, Ulf Bickmeyer, Tetsuro Ikuta, Remi Tsubaki, C Besteiro Rodriguez, E Al‐Enezi, S Papa, R Coccioni, Jelle Bijma, JM Bernhard
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Biogeosciences 巻: 124 ページ: 2823-2850
  • DOI: https://doi.org/10.1029/2019JG005113
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Direct two-dimensional time series observation of pH distribution around dissolving calcium carbonate crystals in aqueous solution (2019)
  • 著者名/発表者名: Jun Kawano, Takashi Toyofuku, Kaede Nishimura, Akiyuki Ueda, Yukiko Nagai, Sachiko Kawada, Henry Teng, Takaya Nagai
  • 雑誌名: Crystal Growth and Design 巻: 19 ページ: 4212-4217
  • DOI: https://doi.org/10.1021/acs.cgd.9b00045
  • 査読あり
• [雑誌論文] Complex factors shape phenotypic variation in deep-sea limpets (2019)
  • 著者名/発表者名: Chong Chen, Hiromi Kayama Watanabe, Yukiko Nagai, Takashi Toyofuku, Ting Xu, Jin Sun, Jian-Wen Qiu, Takenori Sasaki
  • 雑誌名: Biology letters 巻: 15 ページ: 20190504
  • DOI: https://doi.org/10.1098/rsbl.2019.0504
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Estimation of the calcification rate of foraminifera -exceptionally fast extending of the shell- (2019)
  • 著者名/発表者名: Nagai Y., Toyofuku T.
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会 2019年大会
  • 国際学会
• [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: 日本地球惑星科学連合大会 2019年大会
  • 国際学会
• [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., Takagi Y., Ikuta T., Toyofuku T.
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会 2019年大会
  • 国際学会
• [学会発表] The coral reef-dwelling Peneroplis brough to light: recalcification during culture experiment (2019)
  • 著者名/発表者名: Charrieau L., Nagai Y., Fujita K., Multer D., McIntosh I., Toyofuku T.
  • 学会等名: The Micropalaeontological Socity Foram-Nanno 2019
  • 国際学会
• [学会発表] 蛍光プローブによる炭酸塩鉱物の形成/溶解場の2次元可視化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 川野潤, 大澤康太朗, 豊福高志, 長井裕季子, 田中淳也, 永井隆哉
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会 2019年大会
• [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
  • 招待講演
• [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の溶解/成長メカニズムの検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 川野潤, 矢崎誠, 豊福高志, 長井裕季子, Henry Teng, 永井隆哉
  • 学会等名: 日本鉱物学会2019年年会