齋藤 茂

極地から熱帯地域まで動物は幅広い温度条件の環境に適応しています。また、同じ地域に生息する種の間でも、活動時間帯、繁殖時期、微小な生息場所の違いにより生活している環境の温度が異なる場合があります。生息環境に連動した温度応答行動の多様化機構を解明するため、日本在来の無尾両生類（カエル）の幼生（オタマジャクシ）を用いて研究を進めています。生息地における温度計測やオタマジャクシの行動観察などの野外調査や、実験室での幼生を用いた行動実験を行い、活動可能な高温の限界温度および逃避する温度を種間で比較しています。このような研究により環境適応に伴い高温耐性や逃避行動がどのように種間で変化してきたのかを調べています。

適切な逃避行動を取るためには外界や体の温度を正確に感じ取る必要があります。温度感覚の初期過程においてTransient Receptor Potential（TRP）と呼ばれるイオンチャネルがセンサー分子として機能しています。温度応答行動が異なる動物種のTRPチャネルを比較し、機能特性に違いが生じているかを調べ、また、違いがある場合はどのアミノ酸の変化が関与しているかを特定しています。このような解析を通し、温度センサーの機能変化と環境適応との関連性を調査しています。また、TRPチャネルは様々な化学物質のセンサーとしても機能します。TRPチャネルの化学物質に対する応答性を動物種間で比較する研究も行っています。

過去の経験に依存して温度応答行動が変化することが知られています。リュウキュウカジカガエルの幼生は42℃程度の高水温でも活動できるほどの高温耐性を持っていますが、26℃で飼育した場合は36℃以上を逃避します。ところが35℃で一日飼育しただけで逃避温度が42℃まで大きく上昇します。このような可塑性により本種の幼生は季節の推移に合わせて温度応答行動を最適化していると考えられます。逃避行動の可塑性の分子メカニズムを解明するため飼育温度および温度応答行動に連動して発現量が変化する遺伝子の特定を行っています。

ゲノム重複が温度受容機構に与えた影響をサケ科の種を用い調べています。サケ科の複数種のゲノム配列データからTRPチャネル遺伝子の塩基配列を取得し分子進化学的な解析により進化過程を推定しています。更にTRPチャネルの機能解析を行い、ゲノム重複後に機能が変化したのかを調べることにより、温度受容機構に与えた影響や冷涼な環境への適応との関連性を調べています。

Animals adapt to diverse thermal environments, from polar to tropic regions. Even species inhabiting the same area sometimes experience different thermal conditions due to the variation in their active times, breeding seasons, and microhabitats. To elucidated the mechanisms of diversification in behavioral responses to temperature, we focus on amphibian tadpoles endemic to Japan. Environmental temperatures are measured in their habitats and tadpole’s behaviors are observed in the field. Furthermore, behavioral assays are performed in the lab to compare the upper thermal limit and avoidance temperatures among species. Through these approaches, we investigate how thermal tolerance and avoidance behaviors have evolved to fit with habitat environments.

Perception of ambient and body temperatures is pivotal for exerting proper avoidance behaviors. Transient Receptor Potential (TRP) ion channels serve as sensors for the signal transduction of thermal perception. We compare the TRP channels among species exhibiting different behavioral responses to temperature and also searching for the amino acid changes responsible for their functional alteration during the adaptation processes. Through these approaches, we aim to clarify the correlation between evolutionary changes of thermal sensors and environmental adaptation. In addition, TRP channels also serve as chemical sensors, therefore, we also investigating their species diversity against chemical compounds.

Behavioral responses to temperature can be altered by prior experiences. Tadpoles of Buergeria japonica avoid temperatures higher than 36°C when reared at 26°C, although they can tolerate up to 42°C. However, after being exposed to 35°C for a single day, tadpoles increase their avoidance temperature up to 42°C. Such plasticity in avoidance behaviors can be interpret as tadpoles optimizing their behavioral responses to temperature with seasonal changes. We are attempting to elucidate the molecular basis for the plasticity of heat avoidance behavior.

The evolutionary processes of TRP channels are investigated through molecular evolutionary approaches by utilizing genome sequence data from several salmonid species that experienced genome duplication in their ancestral states. By characterizing salmonid TRP channels, we are investigating whether their functional properties altered after the genome duplication event that occurred in the most recent common ancestor of salmonid species. These approaches will elucidate the effect of genome duplication on thermosensory systems, which might have been shaped by cool habitat conditions.