研究の目的
ザゼンソウ(Symplocarpus foetidus)は、氷点下を含む外気温の変動にも拘わらず、その肉穂花序の温度を20°C 内外に維持することができる発熱植物である。本研究においては、ザゼンソウの発熱制御システムに関わる数理アルゴリズム及び生物因子等の解析を通じ、高等植物の発熱現象をより深く理解するとともに、発熱制御デバイスへの応用の可能性を探ることを目的とした。
研究項目及び実施体制
- 恒温植物の温度データー収集および発熱制御関連遺伝子資源の検索
- コンピューターシミュレーションによる発熱制御アルゴリズムの開発とその検証
- バイオ発熱制御デバイスの開発
(伊藤 菊一/岩手大学農学部附属寒冷バイオシステム研究センター)
研究の内容及び主要成果
- ザゼンソウ発熱現象について決定論的非線形予測手法等を用いたカオス理論により解析した結果、本植物の発熱制御システムは、"Zazen attractor"と名付けた低次元の非線形ダイナミクスを基本とすることを発見するとともに、その温度制御アルゴリズムは、ある種の微分方程式によって近似できることを見出した。
- 環境温度変化に対するザゼンソウ肉穂花序の発熱応答の詳細な解析により、本植物の発熱器官である肉穂花序には、±0.9°Cの温度変化を認識し、その発熱レベルを調節できる極めて鋭敏な温度センサー機能が存在することを突き止めた。
- ザゼンソウの発熱因子である5回膜貫通型の脱共役蛋白質(SfUCPb)は、動植物に広く分布する6回膜貫通型脱共役蛋白質(UCP)と比較して、より高い脱共役活性を有する新規分子であることが示唆され、本因子の発現が寒冷環境におけるザゼンソウの熱産生能力の分子基盤になっていることが予想された。
見込まれる波及効果
ザゼンソウを対象とした温度制御アルゴリズム解析は、高等植物におけるカオス研究の先駆けとなるものであり、農作物等の環境適応研究において、新しい学問領域を形成する可能性がある。また、ザゼンソウ型制御アルゴリズムは、産業用制御プログラムとしても有用である(国際特許出願:PCT/JP2004/018297)。
主な発表論文
- Ito K., et al.: Structural requirements for the perception of ambient temperature signals in homeothermic heat production of skunk cabbage (Symplocarpus foetidus). Plant Cell Environ. 26: 783-788 (2003)
- Ito K., et al.: Ubiquitous expression of a gene encoding for uncoupling protein isolated from the thermogenic inflorescence of the dead horse arum Helicodiceros muscivorus. J. Exp. Bot. 54: 1113-1114 (2003)
- Ito K., et al.: Temperature-triggered periodical thermogenic oscillations in skunk cabbage (Symplocarpus foetidus). Plant Cell Physiol. 45: 257-264 (2004)
- Ito K. and Seymour R. S.: Expression of uncoupling protein and alternative oxidase depends on lipid or carbohydrate substrates in thermogenic plants. Biol. Lett. 1: 427-430 (2005)
- Onda Y. and Ito K.: Changes in the composition of xylem sap during development of the spadix of skunk cabbage(Symplocarpus foetidus). Biosci. Biotechnol. Biochem. 69: 1156-1161 (2005)
- Ito T. and Ito K.: Nonlinear dynamics of homeothermic temperature control in skunk cabbage, Symplocarpus foetidus. Phys. Rev. E 72: 051909 (2005)
研究のイメージ
