Research

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Interests

  • organism–environment interaction
  • Chemotaxonomy
  • Plant evolution
  • Biomarker proxy
  • Paleoenvironment reconstruction
  • Analytical chemistry

Research Projects

  • Alkenone paleothermometry in lakes and marginal sea

    ハプト藻が合成する特殊な脂質アルケノンは生育水温を記録する分子の温度計として古環境研究に広く応用されています。

    アルケノン古水温計 Alkenone paleothermometry

    アルケノンは海洋堆積物にしばしば含まれるケトン化合物で、炭素数37-39(C37-C39)という超長鎖の直鎖状アルキル基にトランス型の二重結合を2-4個(2-4不飽和)持つエチルまたはメチルケトンです。このような化合物は、海洋表層に生息する植物プランクトンの Emiliania huxleyi をはじめとするハプト藻イソクリシス目の種が特異的に生合成します。アルケノンの不飽和度(二重結合の多さ)はハプト藻の生育水温に応じて変化するため(図1)、堆積物中に保存されたアルケノンの不飽和度を用いて過去の海洋表層の水温を復元することができます。このような手法は有機分子を用いた古水温計「アルケノン古水温計」として、古海洋学における定番の水温復元手法としての地位を確立しています。

    Figure: Alkenones

    図1. 代表的なアルケノン分子(炭素数37の2〜4不飽和メチルアルケノン)とその生産種:アルケノン生産種は、成育水温に応じてアルケノン組成を調節していて、低温ほど3不飽和や4不飽和アルケノンを多く合成する。

    湖沼や沿岸海域への応用

    海洋の古水温計としてすっかりメジャーになったアルケノン古水温計ですが、その応用のフロンティアは陸水環境にも広がりつつあります。大陸内陸部の湖沼(北米・南米・東アジア)や、グリーンランドや南極のような極域の湖からもアルケノンが見つかっていて、かなり多様な陸水環境にアルケノン生産種が分布していることが分かってきました。日本では、北海道豊似湖・秋田県一ノ目潟、島根県宍道湖・中海の堆積物からアルケノンが検出されています。陸水環境でもアルケノン組成から古水温を復元することができれば、大陸内陸部や極域をはじめとして、陸域の古気候・古環境研究の有力なツールとなることが期待されます。

    しかし、湖沼堆積物中のアルケノン組成から計算したアルケノン不飽和度をそのまま海洋のアルケノン水温計と同様に水温に換算すると (≃ E. huxleyi の水温応答を利用)、多くの場合、実態とはかけ離れた数値になってしまいます。それもそのはず、アルケノン組成と水温の関係(例:アルケノン不飽和度と水温の関係式)には、アルケノン生産種の分類群ごとに違いがあり、湖沼や沿岸域には外洋とは大きく異なる種類のアルケノン生産種が分布しているのです。

    したがって、湖沼でアルケノン組成を古水温計として利用するたえには、湖沼に分布するアルケノン生産種を特定し、生産種ごとの水温応答(不飽和度–水温換算式)を知る必要があります。

    陸水のアルケノン生産種の多様性

    陸水のアルケノン生産種は長らく不明でしたが、環境DNA分析のような分子生態学的研究の応用により、多くの湖沼環境でイソクリシス科に属すると考えられる遺伝子配列が見つかっています。さらに、未記載の科レベルの分類群†の存在も明らかになり、遺伝的に多様な種が湖ごとに棲み分けていること分かってきました。

    [系統樹を張り付ける]

    アルケノン生産種ごとの脂質組成&水温応答の特徴を見極める(わたしたちの研究成果)

    私たちはこれまでに、複数のイソクリシス科培養株を用いてアルケノン組成の特徴を記載し、水温換算式を求めてきました。さらに、アルケノンが見つかる湖沼で実際にアルケノンを生産しているハプト藻を単離するため、豊似湖やカナダ内陸塩湖などでのサンプリングを行い、新たなアルケノン生産株を単離する挑戦も進めています。果たして、アルケノン生産種の遺伝子からみた系統関係と、水温応答を含めたアルケノン組成の特徴はどこまで対応づけられるのでしょうか?

    • 北米の塩性湿地由来の C. lamellosa (現 Ruttnera lamellosa) の培養実験により、既知の単離培養株の中で最も4不飽和アルケノンに富み、水温変化に対する不飽和度の感度が大きい種であることを確かめました。4不飽和アルケノンが卓越する湖沼堆積物のアルケノン不飽和度を妥当な水温範囲で再現しうる培養株は Ruttnera しかなく、同種かその近縁種が湖沼のアルケノン生産を担っている可能性を指摘しました(Nakamura et al., 2014)。
      Long chain alkenes, alkenones and alkenoates produced by the haptophyte alga Chrysotila lamellosa CCMP1307 isolated from a salt marsh

      • その後、4不飽和アルケノンの卓越する湖(北米、ジョージ湖)から同種が単離され、同様のアルケノン組成・水温応答を示すことが確かめられています(Zheng et al., 2014)。
    • Tisochrysis lutea は、イソクリシス科の他の2属と異なり、4不飽和アルケノンをほとんど合成しない (Nakamura et al., 2016)。また、至適増殖温度が高く、E. huxleyi は概ね 28 ℃ 付近で不飽和度応答の感度を失うのに対して、ほかのアルケノン生産種が増殖できない 35 ℃ 程度までアルケノン不飽和度の割合を変化させながら増殖するという特徴を持つ。T. lutea は海域からしか単離例がないものの、近縁な配列は湖沼からも報告されている(Theroux et al., 2010)。4不飽和アルケノンが検出されない内陸湖沼(Toney et al., 2010)の現場水温とアルケノン不飽和度の関係は、本研究で明らかになった T. lutea のものと最もよく一致する。こうした傍証から、4不飽和アルケノンをほとんど作らない T. lutea やその近縁種が一部の湖沼でアルケノン生産を担っている可能性を指摘した(Nakamura et al., 2016)。
      Tisochrysis はタヒチ産で養殖漁業の従来は T-iso, Tahiti strain などと呼ばれて Isochrysis 属の種とされていた。実際、IsochrysisT. lutea はよく似ているが、DNA配列からは、むしろ IsochrysisRuttnera が近縁で、T. lutea は遺伝的に顕著に異なるグループであることが分かっている(Bendif et al., 2013)。Composition of long chain alkenones and alkenoates as a function of growth temperature in marine haptophyte Tisochrysis lutea
    • カナダの塩湖からアルケノン生産種の単離・培養に成功し、そのアルケノン組成と水温換算式を明らかにしました(Araie et al., 2018)。今回見つかったのは Isochrysis galbanaIsochrysis 属の未記載種(Isochrysis sp.)で、湖沼環境に生息する Isochrysis 属の種が単離されたのは初めてのことです。Isochrysis 属の種も他のアルケノン生産種と同様に、水温に応じてアルケノンの不飽和度を変化させるものの、I. galbana は生育可能な水温のほぼ全域で3不飽和アルケノンが卓越し、水温換算式の傾きが小さい傾向にあります。一方で、Isochrysis 属の別種と思われる I. sp. Sh1 株は水温応答の感度が比較的高く、種によって水温換算式に違いがあることも分かりました。さらに、I. sp. Sh1 **株は、C41-C42 という超長鎖のアルケノンを持ち(通常は最大で C40)、これらの超長鎖のアルケノンの不飽和度も水温に応じて変化していることが判明しました。 C41-C42 アルケノンは中国大陸内陸部の超高塩分湖の堆積物から検出されたことがあり、I. sp. Sh1 株かその近縁種がそのような環境でアルケノンを生産している可能性も考えられます。 本種のみが持つ C41-C42 アルケノンの不飽和度に注目すれば、複数のアルケノン生産種が混在する湖沼での水温復元にも役立つ可能性があります。Novel alkenone-producing strains of genus Isochrysis (Haptophyta) isolated from Canadian saline lakes show temperature sensitivity of alkenones and alkenoates

    アルケノン合成系と不飽和度調節機構・バイオ燃料生産への応用


    アルケノン生産種は、高い増殖速度と、アルケノンや長鎖アルケンなどの炭化水素を生合成する能力を兼ね備えています。これを利用して、独特の特性を持ったバイオ燃料や化学原料生産への利用が期待されています。

    Researchers Produce Two Biofuels from a Single Algae

  • Application of plant terpenoid biomarkers for fossil chemotaxonomy and paleovegetation reconstruction

    陸上植物由来のテルペノイドバイオマーカーの研究:化石の化学分類や古環境復元への応用

    白亜紀の陸上に分布した植物由来の分子化石の解析により、当時の陸域における古環境変遷を研究しています。

    • 白亜紀初期に出現した被子植物の分布拡大過程
    • 古植生指標を用いた陸域の古環境変動の復元

    フィールド:北海道(蝦夷層群)、和歌山(湯浅層、有田層、西広層)、四国(物部川層群)

     

    第四紀の堆積物中には生体由来で堆積後の構造変化をほとんど被っていない”新鮮な”植物テルペノイドが含まれていて、独特の古植生指標として利用できる可能性があります。

    • イネ科植物に主に由来するトリテルペノイド誘導体のバイオマーカー利用の検討
    • 陸源有機物の沿岸海域への輸送の評価と後背地の古植生復元への応用

    サンプルとフィールド:島根県(中海・宍道湖)、琵琶湖~瀬戸内海、大阪平野のボーリングコアなど

  • Sample Project Title

    Very short description of the project.

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