研究内容

植物は、光合成によって有機物を合成し、自分自身の炭素骨格とエネルギーを作り出します。人間を含む全ての生物はそのエネルギー源を植物に頼っており、植物は生態系を支える基盤となっています。生態系の機能を理解する上で、植物についての研究は非常に重要な位置を占めています。また、人間社会にとっても、人口増加に伴う食糧危機・エネルギー危機を解決するためには植物機能の利用が必要です。

植物は、種子から一度発芽してしまえば、そこから移動することはできません。環境が悪化しても逃げることはできず、その場で耐える必要があります。植物は、変動する環境に敏感に応答し、形態や生理的性質など、多くの性質を変化させます。これらの性質の変化は、その環境で植物が生き延び、より成長し、多くの子孫を残すために適応的なものと考えられます。また、植物の性質は種によっても大きく異なり、棲み分けや共存を可能にしています。

このような環境応答のしくみや種間差は、生理学・生態学において非常に興味深い研究対象であるとともに、植物機能の有効利用という応用面でも有用な研究対象です。

機能生態学分野では、植物の環境応答や適応について、光合成を中心に、遺伝子レベルから生態系レベルまで様々なスケールで研究を行っています。「ある環境に適応するためにはどのような形質をもつことが必要なのか」、「ある形質はどのような適応に役立っているのか」、といった疑問に取り組んでいます。光合成、成長、繁殖などの機能に着目し、植物の生態の解明を目指します。

研究テーマ1

自然変異に学ぶ適応のしくみ

地球上には様々な環境が存在し、それぞれの環境に適応した植物が分布しています。それぞれの植物はニッチをもち、種間のニッチの違いにより多くの種が共存することができます。一方、全ての環境で万能な植物はいません。どのようなメカニズムが植物の環境適応の違いをもたらしているのでしょうか。私たちはニッチが異なる植物の比較から、そのメカニズムを明らかにしようとしています。

近年は、エコタイプ（同一種だが異なる環境に適応し、遺伝的に異なる性質をもっているタイプ）の比較を行っています。エコタイプ同士は同種であるため交配可能で、多くの性質が似ていますが、いくつか違った性質があります。この違いは異なる環境へ適応した結果である可能性が高く、違いを比較することによって適応のしくみを詳細に調べることができます。また、性質の違いをもたらす分子基盤にも着目し、比較ゲノムの研究も進めています。

下は用いている材料の一つ、ハクサンハタザオの低標高エコタイプと高標高エコタイプの葉です。両者は同種で交配も可能ですが、ご覧の通り、葉に生えている毛の数が全く異なります。私たちは、見た目の違いだけでなく、紫外線耐性や低温耐性などの機能的な性質にも有意な違いがあることを明らかにしてきました。さらに、ゲノムを解読し、どのような遺伝子変異によって適応分化がもたらされてきたのかを調べています。これらの研究から進化や適応のメカニズムを明らかにするとともに、有用遺伝子の発見を目指しています。最近では、シロイヌナズナのエコタイプ間比較から、高CO2環境での成長促進に寄与する遺伝子を発見しました。

研究テーマ2

植物機能のリモートセンシング

植物の光合成は環境変化に敏感で、しばしばストレスによって低下します。現在では高機能の光合成測定装置が市販され、光合成速度を正確に定量することが可能になりましたが、一度に測れる葉の数はたかだかしれています。人工衛星やドローンによって広域の植生の光合成速度を測定することができれば、農学、生態学、地球環境科学など様々な学問や、農業、林業、保全などへの応用に貢献することが期待できます。光合成速度そのものをリモートセンシングで直接モニタすることはできませんが、クロロフィル蛍光や葉の反射率の変化を利用して光合成速度を推定できることが示唆されています。当研究室では、その実現に向けての手法開発や、実際に人工衛星データを用いた植生のストレス応答などの研究を行っています。

研究テーマ3

光合成系の環境応答

光合成速度は光強度、CO2濃度、温度などの環境変化に敏感に応答します。さらに、光や温度などの生育環境が変わると、光合成速度や光合成系に変化が起きます（順化）。例えば、強光で育った葉（陽葉）の光合成能力は弱光で育った葉（陰葉）の光合成能力（飽和光下で測定した光合成速度）よりも高かったり、高温で育った葉の光合成速度の最適温度は、低温で育った葉に比べて高いなどといった変化があります。このような光合成速度の変化がどのような生理的メカニズムによって引き起こされるのかといった生理学的な研究や、どのような変化が生態学的に有利なのかといった進化生態学的な研究まで、様々な観点で研究を行っています。特に近年は、変動光環境への応答や、光阻害の程度を決める要因にせまろうとしています。下は2次元クロロフィル蛍光イメージングによって可視化された光阻害の様子です。

研究テーマ4

形質生態学

光合成や呼吸などの生理機能、葉の厚さや枝分かれなどの形態は植物種によって大きく異なり、ニッチ分割をもたらす主要因であると考えられています。どのような機能がどのような適応に関係しているのかを、環境要因や、種間・個体間相互作用（競争）に着目して研究しています。なぜ種によって光合成能力が違うのだろう、というシンプルな疑問から始まり、様々な研究を行ってきました。近年のテーマは、葉形質と根形質の協調性や、感染菌に対する防御能力に貢献する形質の探索などです。森林樹木や湿原植物など、様々な植物を研究対象としています。特に湿原は、常緑種/落葉種、木本種/草本種など、機能的に大きく異なる種が近接して共存しており、多種共存機構を調べるためのモデル植物群集として着目しています。

その他

その他、特殊環境への適応、植物機能のモデリング、資源獲得競争の解析など、様々な研究を行っています。