北海道大学北方生物圏フィールド科学センター 室蘭臨海実験所

研究内容

私たちの研究室ではコンブ、ワカメなどが含まれる褐藻類の細胞生物学的、分子生物学的研究を行っています。褐藻類は分類学的にはストラメルパイル系統群不等毛藻類門褐藻網に属し、複雑な世代交代と生殖様式を持った多細胞体制の海藻です。沿岸生態系において炭素固定を行う主要な一次生産者であるとともに、重金属の吸着、窒素・リンの吸収を行うことからバイオレメディエーションへの応用にも注目されている生物群です。褐藻類は地球水圏において最も大型化を成し得た多細胞光合成生物であり、その体制を機械的・機能的に支える粘性のある細胞壁構成多糖類は、褐藻類の生物学的特徴の一つとしてあげられます。多細胞体制をとる生物は起源をたどると一つの生殖細胞に由来し、細胞分裂によって生じた娘細胞が分化と協調性をもって固有の体制を構築しています。私たちの研究室では褐藻類における多細胞体制の構築と維持に関して理解するため、①細胞質分裂面形成システムの研究②原形質連絡の構造と機能に関する研究③細胞壁タンパク質のプロテオミクスを進めています。さらに、褐藻類の持続的な資源確保には、生活環の完結が不可欠であることから、④世代間の橋渡しを担う生殖細胞の形成・発生⑤雌雄配偶子の認識機構の解明⑥栄養生理実験による効率的な成熟、成長条件の探索を行っています。

細胞質分裂面形成システムの研究

褐藻類の細胞質分裂の進行過程は長い間、明らかにされていませんでした。中心体を有し、細胞質分裂面にアクチンが出現する褐藻類では、細胞質分裂は動物、菌類と同様に収縮環による細胞質分裂が行われていると理解されてきました。しかしながら当研究室で行った研究から、褐藻類の細胞質分裂は、ゴルジ体由来小胞と平板小嚢(褐藻類の細胞質分裂に関与する扁平な膜構造)の融合により分裂面の内側から外側に向けて進行していくことが明らかになりました。本研究テーマでは隔膜形成過程、セルロースおよび褐藻類に特異的な細胞壁多糖類であるアルギン酸、フコイダンの蓄積過程について調べ、褐藻類の細胞質分裂時に出現する平板小嚢の起源と機能について明らかにしようとしています。

細胞質分裂面形成システム

原形質連絡の構造と機能に関する研究

動物のギャップ結合や緑色植物の原形質連絡、紅藻のピットプラグのように、多細胞生物には細胞間連絡構造が存在しています。褐藻類にも隣接する細胞同士で細胞膜が細胞壁内を貫くように連結した原形質連絡が存在していますが、陸上植物のものとは異なり、小胞体から派生するデスモ小管は見られません。褐藻類における原形質連絡は、陸上植物と同様に厚い細胞壁で覆われた細胞間の物質移動に関わっていると考えられていますが、詳細については未だ明らかにされていません。本研究テーマでは 原形質連絡の構造と機能について、その形成過程と出現パターンの関係から明らかにしようとしています。

原形質連絡

世代間の橋渡しを担う生殖細胞の形成・発生

藻類の生活環は動物、種子植物とは大きく異なり、単相の配偶体世代と複相の胞子体世代が独立しています。二つの世代を結んでいるのが、雌雄配偶子による受精と胞子体に減数分裂を伴って形成される遊走子(四分胞子)です。二つの世代を回るサイクルにおいて連続するのはゲノムだけではなく、細胞小器官、すなわちミトコンドリア、葉緑体、セントリオールも同様です。しかし、有性生殖ではこれらオルガネラは細胞質遺伝の機構が働きます。褐藻の有性生殖は同型・異型配偶子接合、卵生殖が存在しており、それぞれの場合で細胞質遺伝にはルールがあります。まず、ミトコンドリアはすべての生殖様式で母性遺伝、セントリオールは父性遺伝となります。葉緑体では同型配偶子接合では両性遺伝です。オルガネラの分配は減数分裂を伴う遊走子においても厳密なルールがあり、減数分裂後に核と葉緑体はセントリオールを介してそれぞれが近傍に位置するようになり、同調的に分裂します。

褐藻のオルガネラ細胞質遺伝

雌雄配偶子の認識機構の解明

生物進化の過程でいつ、どのように有性生殖が誕生したかは不明ですが、それが生物進化において必須であったことは確かです。 多くの生物で、雄性配偶子(精子)が雌性配偶子(卵)からの性フェロモンによって誘引され、 お互いを認識して受精(細胞融合)が起こることはよく知られています。 褐藻の有性生殖では雌性配偶子からのエクトカルペンやフコセラテンなどの低分子疎水性炭化水素によって 雄性配偶子が誘因されることが、ドイツ人藻類学者のミューラー博士等により報告されてきました。 しかし、雄性配偶子に存在すると考えられる受容体についてはまったく未知のままです。 褐藻の配偶子は不等毛植物の名の通り、マスチゴネマの付着した長い前鞭毛と短い後鞭毛を持っています。 受精の時には、雄性配偶子の前鞭毛が雌性配偶子表面をなでるような運動を行うことも観察されてきました。 現在、フェロモン受容体は雄性配偶子の鞭毛に存在しているのではないかという仮説のもとに、 雌雄配偶子から鞭毛を単離し、LC-MS/MSによる比較プロテオミクスにより研究を進めています。

栄養生理実験による効率的な成熟、成長条件の探索

海藻(緑藻、紅藻、褐藻)は陸上植物と大きく異なり、それぞれが特徴的な生活環を有しています。 例えば、コンブやワカメは巨視的胞子体と微視的雌雄配偶体が独立して存在しています。つまり、フィールドでの藻場の造成・維持管理を考える時には、独自の生活環とその制御を考えた上での対策が必要となります。海藻の場合、種を蒔けば生えてくる訳ではありません。北海道日本海側の沿岸域では海の砂漠化と呼ばれている磯焼けが進行しています。室蘭臨海実験所は、海藻類の無菌培養、栄養生理、生活環制御について長く研究を進めてきた研究室です。そこで、海水中の鉄をキーワードとした藻場再生事業を新日本製鐵住金とともに共同研究を展開しています。海洋において鉄は藻類の生長にとって制限要因であることは良く知られています。コンブを例にとると、1)胞子体から放出された遊走子は鉄に対して正の走化性を持つこと、2)雌雄配偶体は培地中の鉄により成熟が誘導されること、3)胞子体の成長に鉄は必須であることが明らかとなっています。これら厳密にコントロールされた室内実験での結果をフィールドに反映させた形で実際のフィールドでの藻場再生にチャレンジしています。

コンブの生活環

研究業績

2017

9.Godfroy, O., Uji, T., Nagasato, C., Lipinska, A. P., Scornet, D., Peters, A. F., Avia, K., Colin, S., and Mignerot L., Motomura, T., Cock, J. M. and Coelho, S. (2017) DISTAG/TBCCd1 is required for basal cell fate determination in Ectocarpus. Plant Cell. DOI 10.1105/tpc. 17.00440.
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2016

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2015

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2011

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2010

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5.Cock, J. M., Sterck, L., Rouz?, P., Scornet, D., Allen, A. E., Amoutzias, G., Anthouard, V., Artiguenave, F., Aury, J.-M., Badger, J. H., Beszteri, B., Billiau, K., Bonnet, E., Bothwell, J. H. F., Bowler, C., Boyen, C., Brownlee, C., Carrano, C. J., Charrier, B., Cho, G. Y., Coelho, S. M., Coll?n, J., Corre, E., Da Silva, C., Delage, L., Delaroque, N., Dittami, S. M., Doulbeau, S., Elias, M., Farnham, G., Gachon, C. M.M., Gschloessl, B., Heesch, S., Jabbari, K., Jubin, C., Kawai, H., Kimura, K., Kloareg, B., K?pper, F. C., Lang, D., Le Bail, A., Leblanc, C., Lerouge, P., Lohr, M., Lopez, P. J., Martens, C., Maumus, F., Michel, G., Miranda-Saavedra, D., Morales, J., Moreau, H., Motomura, T., Nagasato, C., Napoli, C. A., Nelson, D. R., Nyvall-Coll?n, P., Peters, A. F., Pommier, C., Potin, P., Poulain, J., Quesneville, H., Read, B., Rensing, S. A., Ritter, A., Rousvoal, S., Samanta, M., Samson, G., Schroeder, D. C., S?gurens, B., Strittmatter, M., Tonon, T., Tregear ,J., Valentin, K., von Dassow, P., Yamagishi, T., de Peer, Y. V. and Wincker, P. (2010) The Ectocarpus genome and the independent evolution of multicellularity in the brown algae. Nature 465:617-621.
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