本分野の初代教授である木原均等によって、パンコムギは、二粒系コムギ（４倍体）と野生コムギであるタルホコムギ（２倍体）が、種間交雑し、ゲノム倍加によって成立したことが遺伝学的に明らかにされています。パンコムギの他にも、コムギ・エギロプス属植物には、多様な異質倍数体種が存在します。これらの異質倍数体種の成立過程を異種間交雑によって人為的に再現することができます。そして、パンコムギだけでなく野生種の異質倍数体においても、核ゲノム提供親と細胞質提供親が同定されています。更に染色体が観察しやすく、伝統的な遺伝学研究材料です。また、京都大学には、過去の探検で得られた膨大な栽培種と野生種のコレクションがあり、これらの材料を使った研究を展開することができます。

異質倍数体の形質は、どのように決まるのか？

異質倍数体は、異なる種から由来した染色体があります。これらの染色体に座乗する遺伝子がどのように発現制御されるかによって、異質倍数体の形質が決定されると考えられていますが、その詳細については良くわかっていません。合成異質倍数体やゲノム編集技術を用いて、異質倍数体の表現型を規定する分子メカニズムを明らかにしていきます。

種内分化と環境適応

野生コムギの形質は、驚くほど多様です。栽培種にはない形質もあります。これまで調べた野生コムギの自然集団には、遺伝的分化と形質分化が観察されました。これらの種内分化は、環境適応の結果なのか、もしくは偶然の結果なのかを集団遺伝学的な解析によって検証していきます。そして、その形質の育種利用を視野に入れた研究も展開しています。

種分化における生殖的障壁の分子メカニズムの解明

人為的に異種間交雑によって作出された雑種は、雑種矮性、ネクローシス症状、しわ種子といった雑種生育不全を示すことがあります。これらの症状は、雑種内の異なる種由来の染色体・ゲノム間の相互作用の結果として現れ、接合後障壁の一つとされています。これらの症状の原因遺伝子の同定と発症メカニズムの解明を目指します。

異数性の進化的な役割とは？

種間交雑による異質倍数体は、同所的新種誕生のメカニズムの一つとされています。人為的に作出した合成パンコムギは、しばしば染色体数が通常より少なくなった異数体が発生します。一方で、パンコムギは、異数体の発生は稀です。合成パンコムギからパンコムギへとなるためには、染色体の異数性を抑制する機構を新たに獲得する必要があります。異質倍数体種における異数性抑制に関わる遺伝子を単離し、異数性の発生と抑制のメカニズムを解明します。そして、異数性の進化的な役割を明らかにしていきます。また、異数性は、減数分裂異常の結果であるため、減数分裂の分子機構の理解にもつながります。

栽培植物の多様性を調べる

栽培植物は、世界の各地で、ヒトと野生植物や雑草の相互作用の結果、栽培化されました。私たちの研究分野では、コムギ、雑穀、ソバ、ヤム、イネなどさまざまな栽培植物とその近縁野生種を研究対象として、フィールド調査により採集し、栽培、観察、記述する博物学的な研究をおこなうとともに、遺伝資源の保存も担っています。

栽培植物のゲノムを調べる

近年のDNA解析技術の進展により、生物の全ゲノム配列を解読することが容易になりました。私たちの研究分野では、バイオインフォーマティクス技術を駆使してゲノム配列を調べることにより、栽培植物と野生種の類縁関係、起原、進化を遺伝子レベルで解明する研究に取り組んでいます。栽培化や適応に関わる重要遺伝子の単離も進めています。

栽培植物の進化を調べる

栽培植物は、人為環境下で大規模に栽培されることにより、病虫害の原因生物から強い自然選択を受けることなどにより、現在も進化し続けています。私たちの分野では、栽培植物を研究材料として、生物共進化の分子機構解明にも取り組んでいます。

病原糸状菌に対する植物側の抵抗性機構、それに対する菌の対抗戦略を明らかにする

植物病原糸状菌である炭疽病菌（Colletotrichum属菌）には明確な宿主特異性が存在する。例えば、ウリ類炭疽病菌は、ウリ科植物には激しく病害を引き起こすが、アブラナ科植物には全く感染できない。この時にアブラナ科植物が発揮する強固な抵抗性は「非宿主抵抗性」と呼ばれる。一方で本菌はウリ科植物に対しては、非宿主抵抗性を抑制し感染に成功するが、この抵抗性抑制には「エフェクター」と呼ばれる病原菌の分泌因子が関わると推定される。非宿主抵抗性およびエフェクターに対して比較ゲノム解析などを駆使し研究することにより、謎に満ちている病原糸状菌の宿主特異性成立機構の解明に挑戦している。

ウイルスの細胞間移行機構およびウイルスに対する植物抵抗性機構を明らかにする

植物ウイルスは、宿主細胞に侵入・増殖後、隣接細胞に移行することで、その感染を拡大していく。この植物ウイルス特有の細胞間移行機構（動物ウイルスは持っていない）は現在でも不明な点が多く、プラスセンスRNAウイルスを対象に、細胞間移行機構の謎の解明に挑戦している。一方、RNAウイルスの侵略に対して、植物は抵抗性遺伝子（R遺伝子）、RNAサイレンシングなどの対抗戦略を進化させている。ウイルスに対するR遺伝子の報告例は少なく、新規のR遺伝子の発見に挑戦するとともに、サイレンシングへのウイルスの対抗因子であるサイレンシングサプレッサーの同定、機能解析にも着手している。

シロアリの繁殖システムの進化

近年、アリやハチ、シロアリなど社会性昆虫の生態や進化に関する研究が大きな発展期にある。私たちの研究チームは、シロアリの女王が単為生殖と有性生殖を使い分けており、後継の女王の生産は単為生殖、一方、ワーカーや羽蟻の生産は有性生殖で行っているという、驚くべき繁殖の実態（AQS: Asexual Queen Succession）を明らかにした。多様な繁殖生態の解明と、進化力学の解明に多角的アプローチで取り組んでいる。

昆虫の多様な生活史戦略

カメムシ類、ウスバシロチョウ、ヒシバッタ、イラガ、オオハリアリ等を材料として、生息場所の時間的・空間的異質性に対応した生活史戦略、特に移動性や休眠性、寄主利用、捕食・寄生回避といった重要な生活史形質の適応的意義や進化について研究を行っている。

これからの昆虫生態学の展望

おそらく次の20 年が昆虫生態学の最も面白い時代になるだろう。かつて理論的解釈にとどまっていた謎も、分析技術の急速な発展により、具体的なメカニズムまで特定できるようになった。特に多様な繁殖システムの進化における遺伝子レベルの対立については、魅力的な仮説が検証可能な段階に入った。熟練したフィールドワークで現場から新たな発見の種を拾い上げ、私たちの研究チームにしかできない独創性の高い研究を展開していきたい。

昆虫の生命現象の生理学的基盤を探る

昆虫は地球上で最も繁栄しているグループの1つであり、現在の、そしてこれからの地球生態系や農業生態系の維持に欠かすことができない重要な生物群です。しかし、昆虫の生命活動は時に人間との深刻な利害関係を産んでおり、ある物は農業害虫として農作物に甚大な被害を与え、またある物は感染症媒介昆虫として人間や家畜の生命を脅かしています。今後、人間が昆虫と共存共栄していくためには、形態・体色・変態・休眠・生殖・行動など、昆虫のユニークな諸形質の「謎」を解明し、それを適切に制御あるいは利用することが必要である、と私たちは考えています。昆虫生理学分野では、昆虫の多彩な生命現象の生理基盤を理解するために、分子遺伝学、生理学、生化学、化学生態学など、様々な手法を用いて研究を行っています。

昆虫の脱皮変態の生理基盤の解明

昆虫の多彩かつ特異な形質の発現の鍵を握るのが、ホルモンによる内分泌的な制御機構です。中でも、幼若ホルモンによる遺伝子発現制御はその中核を成しており、外部形態・斑紋・体色・発育・成長・変態・休眠・ 生殖・行動・カースト分化など、ありとあらゆる形質発現に影響を及ぼすと言っても過言ではありません。近年、長年不明であった幼若ホルモンの受容体が単離されたことを契機として、幼若ホルモンの生理機能と作用機構が分子レベルで理解されようとしています。私たちは、幼若ホルモンのもつ抗変態作用を足がかりとして、幼若ホルモンがどのように昆虫の多彩な形質発現をもたらすのか、その生理基盤と遺伝子基盤を理解しようとしています。さらに、昆虫がどのようにして変態する能力を獲得したのか、その進化プロセスの解明を目指しています。

昆虫の新規ゲノム編集ツールの開発

近年のゲノム編集技術の開発により、原理上、あらゆる動物でのゲノム編集が可能となりました。 しかし、昆虫においては初期胚へのインジェクションを行う必要がある、という制約があり、現状では一部の種でしかゲノム編集を行うことができません。私たちは、この障壁を乗り越えて、あらゆる昆虫でゲノム編集を可能とする革新的なゲノム編集ツールの開発を目指しています。私たちが目指すのは、人類が昆虫の形質を自在にデザインし、その驚異的な能力を覚醒・創発させて利用する未来です。

昆虫の形態進化機構の解明

動物界最大の種数を示す昆虫は、基本的な体のつくりを共有しながらも、多様な形態を示します。私たちは昆虫の系統の中でも祖先的な種から派生的な種まで、多様な形態を示す複数の昆虫種をモデルとして、その発生過程を組織、細胞、分子のレベルで比較することで、多様な形態を生み出す発生の仕組みと昆虫進化の歴史を明らかにすることを目指しています。

質的・量的形質の遺伝・発現メカニズムの解明

1. 糖尿病をモデルとする遺伝形質の発現メカニズムの解明

糖尿病は、複数の遺伝因子と環境因子との相互作用により発症する多因子遺伝性疾患であり、多因子遺伝の代表的なモデルとして知られています。私たちは糖尿病を自然に発症するマウスやラットを対象として、従来からの交配実験と表現型解析に加えて次世代シーケンス解析やメタボローム解析など最新のオミクスアプローチを駆使することにより、糖尿病の発症に関与する遺伝子の同定と発症メカニズムの解明を進めています。

2. ヒトとウシにおける骨格筋内の脂肪蓄積形成機構の解明

ヒトの加齢に伴う骨格筋量と骨格筋力の低下はサルコペニアと呼ばれ、深刻な健康問題となっています。サルコペニアや肥満・糖尿病では骨格筋内に脂肪蓄積が見られますが、その形成メカニズムは明らかでありません。一方、日本が誇る黒毛和種牛は、霜降りと呼ばれる筋肉内への脂肪蓄積（脂肪交雑）の能力が高いという特徴を有しています。骨格筋内の間葉系前駆細胞が脂肪細胞の起源であることが報告されており、この細胞はヒトの筋内脂肪とウシの霜降りの共通の起源と考えられます。私たちは医学と農学の融合研究として、ヒトとウシにおける骨格筋内脂肪蓄積形成機構の比較研究を行うことにより、普遍的なメカニズムならびに種や病態に特異的なメカニズムの解明を進めています。

資源動物の遺伝的評価・育種改良・保全法の確立

3. 資源動物の遺伝的多様性や有用形質の評価、育種改良、保全法の確立

黒毛和種牛に代表される和牛は日本固有の貴重な遺伝資源です。その遺伝的多様性を保持しつつ、有用形質を評価し、育種改良して利用していくことが求められています。私たちは和牛の遺伝的多様性の評価、有用形質の評価、育種改良、保全法の確立を目標とする研究を行っています。

4. 特別天然記念物トキやコウノトリなど希少動物の遺伝的多様性の評価、個体分類、保全法の確立

特別天然記念物トキおよびコウノトリの増殖と試験放鳥が国家的プロジェクトとして進められています。特に保存集団の遺伝的多様性の維持は、プロジェクトを推進する上で非常に重要な課題です。DNAマーカーの大規模開発とタイピング法の確立、個体識別法や遺伝的多様性評価法の確立、免疫系に関与しゲノム内で最も多型が多いとされる主要組織適合遺伝子複合体（MHC）領域のゲノム構造と多型の解析に関する研究を進めています。（画像は、佐渡トキ保護センター提供）

哺乳動物卵子の発生と分化

実験動物ならびに家畜の卵母細胞の成熟や受精後の発生機構を分子レベルで解明することを目的としている。精子と卵子は遺伝子発現を完全に停止した状態で受精する。受精後しばらくすると最初の遺伝子発現が始まるが、この遺伝子発現のことを胚性ゲノムの活性化と呼んでいる。この遺伝子発現がどのようなメカニズムで制御されているかは良く分かっていないが、近年この遺伝子発現制御にエピジェネティックな要因が大きく関わっていることが明らかになってきた。受精卵の遺伝子発現制御に関わるメカニズムを解析することによって、究極に分化した精子や卵子の核が全能性を持った受精卵の核へと変化していくリプログラムの過程、さらには受精卵から胎子へとさまざまな細胞へと分化する過程を明らかにすることで、生命の始まりについて理解を深める。

(画像は、マウスの受精卵：受精後4日目の胚盤胞期胚)

卵母細胞特異的遺伝子

当研究室で新規に発見されたOog1という卵母細胞特異的遺伝子は雌胎子の生殖細胞で発現を開始して、減数分裂の終了と同時に発現を停止するが、その機能はいまだに明らかになっていない。減数分裂は生殖細胞に特異的な分裂様式であり、この時期に卵子で発現し、細胞質に蓄えられる物質は受精後の発生にとっても非常に重要な役割を持っている。そこでこの遺伝子がどのような役割を持っているかを、CRISPR/Cas9システムを用いたノックアウトマウスを作製して解析を行っている。

（画像は、Oog1プロモーターの制御下で光る受精卵と精子細胞）

初期胚発生期の環境の長期影響

乳肉生産の高度化、気候変動や異常気象、生殖補助技術の適用等により、家畜の初期胚を取り巻く環境は多様化、複雑化している。初期胚という発生の極めて初期の段階の環境が、初期胚発生のみならず胎子発育、出生後の成長、行動、健康、疾病にも影響するという現象が明らかになっており、この現象にもエピジェネティックスが関与している。哺乳動物の初期胚を取り巻く環境のエピジェネティックスを介した長期影響を明らかにし、家畜や実験動物をはじめとする哺乳動物の胚生産、さらには健康や有用形質の促進に応用することを目指している。

（画像は、黒毛和牛の母子とメチル化DNAを染色したウシ初期胚）

キーワード

栄養素の過不足を検出する

過不足に対する防御機構を解明する

理想的食餌の量・質・時期を決定する

微量栄養素、代謝調節、アミノ酸代謝、TGF-β、遺伝子発現調節、実験動物、肥育牛、培養細胞

代謝性疾患モデル動物を用いた病態生理学的変化の解析

糖尿病や肥満の動物モデルの腎臓、肝臓、膵臓、筋肉、骨などの臓器について、生理学的、薬理学的および病理組織学的手法を用いて、その病態生理学的特徴を解析しています。また、各動物モデルにWestern Diet食や食塩水を与え、その病態変化を解析しています。（写真は、正常動物と糖尿病動物の肝および大腿骨、糖尿病動物では肝で脂肪蓄積と線維化、大腿骨では骨密度低下＝骨粗鬆症が発生）

高機能性成分を活用した動物の生理・免疫・生殖機能の改善

動物は環境の変化によって、生理・免疫・生殖機能に異常をきたすことがあります。そこで、食品や飼料中に含有される機能性成分を活用して、哺乳動物の生体機能に及ぼす効果を生化学的、病理組織学的および分子生物学的手法で解析しています。主なテーマは、カロテノイドによる新生児の腸管免疫改善法の開発、妊娠・泌乳マウスのミネラル代謝の改善、免疫機能に対する植物エストロゲンの効果、アスタキサンチンによるウシ初期胚の暑熱ストレス緩解効果などです。（画像は、カロテノイドによるlgA産生の効果の模式図）

哺乳動物の生殖機能を支える因子の解析と繁殖性改善技術の開発

 現在、家畜が高能力化する一方で、繁殖効率の低下が家畜の生産性向上を阻害しています。そこで、哺乳動物の生殖機能に関与する因子を解析し、繁殖性の改善ならびに繁殖障害の回避法を開発しています。主なテーマは、卵巣形成・機能に関与する因子の解析と卵母細胞保存・発育促進法の開発、哺乳動物着床前胚の発生と分化に及ぼす環境因子の影響の解析などです。（画像は、ウシ初期胚のメチオニン代謝関連する写真。ウシ受精卵におけるメチオニンの代謝酵素（ＭＡＴ）の発現（左、緑色）。ＭＡＴを阻害する（右上）と、対照（右下）に見られる胚盤胞（腔を形成した胚）への発生が著しく抑制される。メチオニンは初期胚の発生・分化において重要な役割を担う栄養素の一つである。）

日本の資源循環型複合生産の検討

日本の中山間地域では、今も稲わらや野草を牛の飼料として利用し、そのふん尿は田畑に肥料として還元されている。また、沖縄や西南諸島では、さとうきびと肉牛との統合生産が一般的に見られる。さとうきびの葉の部分（トップ）は飼料として、また糖液の絞り粕（バガス）は敷料として利用されている。このような生産システムが研究の対象である。（画像は調査農家における窒素の利用状況（肥育牛10 頭規模））

資源として重要な家畜飼料資源の探索

世界には、いまも貴重な遺伝資源としての家畜が小規模飼育されている。それらの特性を調べ、現地の未利用資源等を利用した飼養管理方法を検討し、保全計画や予算配分の策定を行う。（写真は、耕作放棄地での放牧牛行動調査研究）

アジアの複合生産システムの研究

アジアの多くの国々ではいまも牛や水牛が乳用、肉用、耕作用などさまざまな用途で利用されている。また、ヤギは乳用、肉用、まさかの時の生きた蓄財として庭先で飼育されている。このようなアジアの有畜複合システムの実態とその中の資源循環を調査する。（写真は、左がネパールタライ地域での水牛飼養。右が南タイにおける在来種ヤギ）