40億年の進化史を通じ、生命は多様な環境へと適応放散してきました。その生命史の中でしばしば、他種生物との共生によって革新がもたらされ、新たな環境における爆発的な進化と種多様化が起こったと考えられています。
本分野では、共生をはじめとする生物種間の相互作用を鍵として、生物多様性が創出されるしくみを解明します。野外生態系におけるフィールドワークとゲノム科学・情報科学を融合し、分子・細胞レベルの現象から個体群・群集・生態系の階層における生命システムの駆動原理を読み解きます。
植物-微生物共生系と魚類-微生物共生系を主要な研究対象としていますが、新たな生命現象の解明につながる挑戦的な研究展開を目指し、多様な生物を野外で探索しています。現在の科学で利用できる分子生物学的・情報科学的手法の粋を融合することで、生命史を新たな視点から俯瞰していきます。
私たちは緑あふれる生態系を当たり前のものとして暮らしています。しかし、陸上植物の祖先と真菌類の共生が4億5000万年前に起こっていなければ、陸上生態系も私たち人類も存在し得ませんでした。鍵となったのが、植物と菌根菌の共生でした。藻類を起源とする陸上植物の祖先にとって、陸上環境で水や養分を獲得するのは非常に困難でした。しかし、先に陸に進出していた真菌類は、細い菌糸をネットワークのように地下に張り巡らし、水や窒素・リンを獲得することができました。この菌糸ネットワークをインフラとして利用する菌根共生の成立によって、陸上植物の爆発的進化の足場が形成され、緑の大地が生まれていきました。
近年の研究で、菌根菌だけでなく、内生菌と総称される多様な真菌類が植物の根圏に共生し、植物の養分獲得や環境/病害虫ストレスへの抵抗性獲得に深く関わっていることがわかってきました。こうした真菌類との精緻な共生機構が、陸上植物のゲノムに刻まれているのです。
本分野では、森林・草原・農地生態系におけるフィールドワークを起点としつつ、研究室内で確立した菌株ライブラリの接種試験や遺伝子発現解析等の分子生物学的アプローチを組み合わせて、植物と微生物で構成される共生システムの動態を紐解いています。野外環境下では、1個体の植物が数百・数千種の真菌類や細菌類と関わりながら生育しています。その複雑なシステムの中から、鍵となる共生微生物種を見出すとともに、多種システム全体としての振る舞いを予測・制御する科学的基盤を構築していきます。
ヒトの腸内には多様な細菌類が共生し、宿主である私たちの健康状態を大きく左右していることが近年明らかにされてきています。一方で、ヒトやマウス以外の動物と共生微生物叢との相互作用については、基礎的な知見が不足しており、広大な科学研究のフロンティアが拡がっています。
本分野では、魚類を主な研究対象として、微生物叢の動態が宿主動物のパフォーマンスに与える影響を探っています。魚類の腸内にも、ヒトやマウスと同様に多様な共生微生物が生息しています。また、水中に棲息する魚類の生理は、水圏生態系内の微生物叢によっても左右されます。
これまでの研究から、魚類が棲息する水圏の微生物叢組成（種組成）が劇的に変動していることが明らかになってきました。魚類の健康にプラスに働く微生物叢組成とマイナスに働く微生物叢組成からなる多重安定性が存在し、これらの「代替安定状態」間の急激なレジームシフトが魚類の生理・生態に多大な影響を与えることがわかってきました。ビタミン類等の栄養素獲得に関わる細菌や免疫の活性化に関わる細菌が「コンソーシアム」を組むことで安定かつ機能的な魚類共生微生物叢が構築されている可能性に着目し、大規模DNAシーケンシングと統計物理学・機械学習・ネットワーク科学を融合した研究を展開しています。
こうした研究を通じて、多種生命システムの多重安定性が成立する根本原理が見出されていくと私たちは考えています。ヒト腸内細菌叢においても、生物叢組成が劇的に悪化するディスバイオーシス（dysbiosis）と呼ばれる現象が知られていますが、その背後にある物理学的過程は相互作用システムの振る舞いとして統一的に記述されるはずです。生物叢のレジームシフトを予測・制御する理論体系の構築と実験系における検証を進めていきます。
本研究室では、積極的に新たな研究対象の開拓を行っています。
興味を持っている生物群の研究者人口が少なくて進学先の研究室が見つからない、従来の研究手法では解明できることに限界がある、どうしてもこの生物の研究がしたい、という要望にできるだけ応えます。
野外調査と多様な分子生物学的ツール、画像解析、DNAシーケンシング技術でデータを取得し、多角的な情報科学的分析を行っていけば、きっと新しい研究アプローチが見えてくるはず。
本研究室が探索している生物種間の相互作用の研究領域では、わかっていること自体が氷山の一角です。一緒に生命現象理解のフロンティアを開拓しましょう。