遺伝子情報に立脚した開花時期予測モデルの開発

私たちの住む地球は、地軸が傾いた状態で太陽の周りを1年で1周のスピードで回っています。こうした地球の公転によって、北半球の中緯度に位置する日本では、温度と日長が一年の間に周期的に変化し、季節が生まれます。多くの植物の開花時期はこの季節変化に強く制約を受けています。たとえば越冬の後、春に開花する植物では、冬の低温を経験して初めて花芽形成が誘導されます。このことは春化と呼ばれ、春まきと秋まき小麦の違いに代表されるように古くから知られていた現象です。近年、春化や日長応答の分子メカニズムが解明されたことによって、植物の環境応答の仕組みが分子レベルで次々とわかってきたにも関わらず、自然環境でみられる複雑な条件のもとで植物がどのように季節の移り変わりに応答し適切な時期に開花できるのかは、まだよくわかっていません。わたしたちは、室内実験・数理モデル・野外実験という異なるアプローチを統合し、遺伝子発現量に立脚した開花時期予測モデルの開発に取り組んでいます。

Some publications

  • Satake A, Kawagoe T, Saburi Y, Chiba Y, Sakurai G, Kudoh H (2013) Forecasting flowering phenology under climate warming by modelling regulatory dynamics of flowering-time genes. Nat Commun (DOI: 10.1038/ncomms3303)
  • Satake, A, Iwasa Y. (2012) A stochastic model of chromatin modification: cell population coding of winter memory in plants. Journal of Theoretical Biology 302, 6-17.
  • Satake, A (2010) Diversity of plant life cycles is generated by dynamic epigenetic regulation in response to vernalization. Journal of Theoretical Biology 266, 595-605.
  • Aikawa, S, Kobayashi MJ, Satake A, Shimizu KK, Kudoh H (2010) Robust control of the seasonal expression of the Arabidopsis FLC gene in a fluctuating environment. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 107, 11632-11637.



同調現象

世の中にはさまざまな同調現象がみられます。無数の蛍が同調して規則正しく発光したり、 生物の体内時計と昼夜周期が同調していたり、あるいは社会の流行現象も人の意思決定が同調したものと みなせるかもしれません。そうした同調現象は、植物集団でも見いだされています。 とくに、植物個体の開花や種子量が著しく年変動し、個体間で同調することがあり、 これによって森林全体で豊作の年と凶作の年が繰り返されるはっきりとしたリズムが生まれます。 この現象は、温帯地域ではマスティング、熱帯地域では一斉開花結実とよばれ、昔から生態学者を魅了してきました。 私たちはこれまで、カオス結合系の一例である資源収支モデルを用いて、同調が生じる仕組みを理論的に明らかにしてきましたが、 近年、開花時期制御の分子機構に関する知識をとりいれて、花成関連遺伝子制御ネットワークモデルを開発し、 マスティング・一斉開花結実現象を分子レベルから理解する研究に取り組んでいます。

Some publications

  • Satake A, Bjørnstad ON, Kobro S (2004) Masting and trophic cascades: interplay between rowan trees, apple fruit moth, and their parasitoid in southern Norway. Oikos 104, 540-550
  • Satake A, Iwasa Y (2002) The synchronized and intermittent reproduction of forest trees is mediated by the Moran effect, only in association with pollen coupling.
    Journal of Ecology 90, 830-838
  • Satake A, Iwasa Y (2002) Spatially limited pollen exchange and a long-range synchronization of trees. Ecology 83, 993-1005
  • Satake A, Iwasa Y (2000) Pollen-coupling of forest trees: forming synchronized and periodic reproduction out of chaos. Journal of Theoretical Biology 203, 63-84


植物−送粉者ネットワーク共生系

植物と花粉を媒介する送粉者との関係は、植物は送粉者に花粉を運んで受粉してもらう、 送粉者は花粉や蜜などの報酬を得る、という互いに利益を受けるような相利共生の好例としてよく知られています。 植物の開花時期を他の植物個体と同調させ、植物集団で大量の花を咲かせることは、送粉者を誘き寄せるにはよいですが、 限られた送粉者をめぐる競争も生じさせます。したがって、同調の程度は送粉者の魅了と競争のバランスで 決まると考えられてきました(Rathcke 1983)。 植物−送粉者共生系モデルを開発することで、 さまざまな相互作用ネットワークのもとで、植物の開花時期の同調が生まれる仕組みを理解するとともに、 蜜などの報酬や花の形態の変化を考慮した相互作用ネットワーク進化モデルの開発を行っています。

Reference & Publication

  • Rathcke B (1983) Competition and facilitation among plants for pollination. Pollination Biology (ed. L. Real), pp. 305-329. Academic Press, London
  • Tachiki, Y, Iwasa Y, Satake A (2010) Pollinator coupling can induce synchronized flowering in different plant species. Journal of Theoretical Biology 267, 153-163.



生態系と人間社会

現在、さまざまな環境問題の根本的な理解と解決には、生態学の視点と、 人々の意思決定と社会政治経済制度の関係を明らかにする社会科学の視点を共に持つ必要性が意識されるようになっています。 このような意識が、coupled social and ecological systemsと呼ばれる分野横断的な研究を急速に促進し、 21世紀の生態学には従来の境界を越えた積極的な貢献が期待されています。私たちは、 生態系の動態と人々の意思決定の動態を結びつけた理論を開発し、生態系から得られるさまざまなサービスを 壊すことなく利用するための条件を理解する研究を行っています。
 とくに、人間の意思決定に大きな関心があります。私たち個人の人生が意思決定の積み重ねであるように、 手入れの行き届いた森林から汚染された湖まで、現在の景観は過去数々の人々の意思決定によって築かれたものです。 学習理論・ゲーム理論・経済理論と生態学の理論を組み合わせて、 人間の自然資源利用に関する意思決定機構の本質に迫りたいと考えています。

Some publications

  • Ishikawa K, Hachiya N, Aikoh T, Shoji Y, NIshinari K, Satake A. (2013) A decision support model for traffic congestion in protected areas: A case study of Shiretoko National Park. Tourism Management Perspectives 8, 18-27.
  • Honjo, K., Chaves LF, Satake, A, Kaneko A, Minakawa N. (2013) When they don't bite, we smell money: understanding malaria bednet misuse. Parasitology 140, 580-586.
  • Satake A, Levin SA, Iwasa Y (2008) Comparison between perfect information and passive-adaptive social learning models of forest harvesting.
    Theoretical Ecology (in press)
  • Satake A, Rudel TM (2007) Modelling the forest transition: forest scarcity and ecosystem service hypotheses. Ecological Applications 17, 2024-2036
  • Satake A, Leslie HM, Levin SA, Iwasa Y (2007)
    Coupled ecological-social dynamics in a forested landscape: spatial interactions and information flow. Journal of Theoretical Biology 246, 695-707
  • Satake A, Janssen MA, Levin SA, Iwasa Y (2007)
    Collective deforestation induced by social learning under uncertainty of forest-use value. Ecological Economics 63, 452-462
  • Satake A (2007) The role of economic incentives and social norms in forest resource management. Ecological Research 22, 21-22


Group decision-making

ゾウやチンパンジー、コウモリなど多くの動物では、小単位の群れが大集団として集合したり、 また離散したりと、離合集散性(fission-fusion) と呼ばれる群集行動を示します。 これは、群れのなかで意思決定が同調したり対立することが原因となると考えられます。 わたしたちは、コウモリを対象として、ねぐら選択の意思決定モデル・エージェントベースモデルを開発し、 fission-fusionのメカニズムを明らかにする研究に取り組んでいます。

Publication

  • Kashima, K., Ohtsuki H, Satake A. (2013) Fission-fusion bat behavior as a strategy for balancing the conflicting needs of maximizing information accuracy and minimizing infection risk. Journal of Theoretical Biology 318, 101-109.