深海原核生物のメタゲノム解析によるモニタリング法の開発（2020-2022）
本プロジェクトでは、低コストかつ簡便な深海生態系のモニタリング手法を開発、整備し、新たに沖合海底域に設定される海洋保護区での継続的なモニタリングに資することを目標としています。私たちの研究チームは、深海底の微生物群集からゲノム情報を取得することによりそれらの多様性や機能を把握する手法を整備します。海底の底質や化学環境の変化は、微生物多様性や群集構造の変化に反映され、機能遺伝子情報からどのような変化がもたらされたのかも推測できると考えられます。実際には、どのくらいの時空間スケールでどのような変化を捉えることができるのか、保護区の設定対象となる海域で明らかにします。
生物多様性の保護や遺伝資源の持続的な利用などを定めた「生物の多様性に関する条約（Convention on Biological Diversity：CBD）」いわゆる生物多様性条約では、２年おきに締約国会議（Conference of the Parties：COP）が開催されてきました。2010年に名古屋市で開催されたCOP10では、愛知目標（Aichi Target）として次の10年間の行動目標20項目が採択されました。この目標の一つとして、2020年までに、少なくとも沿岸域及び海域の10％について、積極的に生物多様性を保全・管理するエリアいわゆる海洋保護区とすることが掲げられています。
現在、我が国では沿岸域を中心に8.3%が海洋保護区として設定されていますが、沖合域に関してはほとんど手つかずの状態でした。そこで、2019年４月に成立した改正自然環境保全法によって、沖合海底域に新たに自然環境保全地域が指定されることになりました。指定される場所は、2016年に「生物多様性の観点から重要度の高い海域」として公表されたエリアのうち、特に海溝や海山列が存在する海域になりますが、実際にこうした海域の深海底に生息する生物や生態系の状態をきちんと把握するのは容易ではありません。沿岸域のように人が潜って直接観察するといった訳にはいかないからです。今後、継続的にモニタリングするためには、低コストかつ簡便な手法が是非とも必要ですが、そのための技術開発をするのが今回のプロジェクト全体のゴールになります。
海洋情報把握技術開発ー海洋生物遺伝子情報の自動取得に向けた基盤技術の開発と実用化ー（2018-2022）
現在、海洋酸性化や海洋生物多様性、海洋ごみ等の問題が重要視され、科学的根拠に基づく海洋及び海洋資源の管理、保全及び持続可能な利用に向けた海洋観測の強化が必要とされています。また、2018 年 9 月からは国家管轄権外区域の海洋生物多様性（BBNJ）に関する法的拘束力のある国際協定の作成に向けて、国連の作業部会において政府間協定の議論が開始予定であり、科学的な観測データの収集・取得は喫緊の課題となっています。 海水温や塩分等の基本的パラメータについては、全地球的な観測網が整備され、情報がほぼリアルタイムに取得・蓄積されていますが、海洋生態系や海洋の化学的な環境等の観測・計測は海水温や塩分等に比べて著しく少なく、こうした問題に対応するための情報は大きく不足しています。 本研究では、海洋の生物情報をより効率的かつ高精度に把握する革新的な観測・計測技術を開発することを目指します。
具体的には、（1）微生物、動植物プランクトン、魚類を対象生物として、海水試料からの核酸抽出と遺伝子検出を自動化するための要素技術の開発と標準化、（2）定期的に海水濾過試料を取得、自動的に核酸抽出し、特定遺伝子を検出できる装置の製作と実用化、（3）DNA・RNA配列データと海洋観測データを統合したデータベース構築、配列データからの生物動態解析技術の開発と実運用です。特に現場型装置の中核として、サンプル採取、核酸抽出、遺伝子検出のプロセス毎に必要な要素技術を開発し、各自動処理モジュールを製作、それらを連結することにより、柔軟性と拡張性に優れた装置として実用化を目指します。
技術紹介ワークショップ「OceanDNAテック2021」動画公開サイト、「OceanDNAテック2022」、「OceanDNAテック2023」
熱帯・亜熱帯域から極域までの全球海洋観測から明らかにする海洋窒素固定の統合的理解(2019-2021)
本研究では、北極海から熱帯・亜熱帯、南極海に至る観測から海洋窒素固定を全球的プロセスと捉え直し、どこでどのような特徴を持った窒素固定生物が存在し、生態系と関わっているかを明らかにすることを目的とします。ここでは当研究室で開発を進めてきた窒素固定活性測定法と窒素固定生物群集組成解析法に加えてネットワーク解析を導入することで、生態系と環境の両側面から各海域の窒素固定生物群集の形成要因を明らかにします。さらに集積培養もしくはメタゲノム解析から窒素固定生物のゲノムを復元し、比較ゲノム解析より各海域の窒素固定生物の特徴と共通点を見出すことを目指します。
Shiozaki, T., Nishimura, Y., Yoshizawa, S., Takami, H., Hamasaki, K., Fujiwara, A., Nishino, S. & Harada, N. (2023) Distribution and survival strategies of endemic and cosmopolitan diazotrophs in the ArcticISME J. 17(8), 1340-1350.
南極海（上）と南極大陸（下）でのサンプリング
海洋表面マイクロ層とエアロゾルの微生物学：生物活動と気候をつなぐフロンティア（2016-2020）
本研究は、地球温暖化を左右する雲の生成を制御する鍵として、海表面マイクロ層(SML)を介したバイオエアロゾルや雲核の生成過程に影響する微生物動態に注目し、独自のサンプリング装置と最新の環境DNA解析技術を駆使して、微生物群集の組成と機能の変動、雲生成への寄与を明らかにします。気候変化の予測において重要なパラメータでありなから、これまでほとんど知見のないSMLやエアロゾルに存在する微生物群集の動態を解明し、海洋生物生産と地球環境の関わりに新しいパラダイムを提示することを目指します。
Dobashi, T., Miyazaki, Y., Tachibana, E., Takahashi, K., Horii, S., Iwamoto, Y., Wong, S-K., & Hamasaki, K. (2023) Marine nitrogen fixation as a possible source of atmospheric water-soluble organic nitrogen aerosols in the subtropical North Pacific. Biogeosciences, 20:439-449
Ono, K., Iwata, A., Fukuma, T., Iwamoto, Y., Hamasaki, K., Matsuki, A. (2023) Characterization of adhesivity of organic enriched sea spray aerosols by atomic force microscopy. Atmospheric Environment, 294, 11946
Wong, S-K., Suzuki, S., Cui, Y., Kaneko, R., Kogure, K., Hamasaki, K. (2021) Sampling constraints and variability in the analysis of bacterial community structures in the sea surface microlayer. Frontiers in Marine Science, 8, Article 696389
Cui, Y., Wong, S-K., Kaneko, R., Mouri, A., Tada, Y., Nagao, I., Chun, S-L., Lee, H., Ahn, C-Y., Oh, H-M., Sato-Takabe, Y., Suzuki, K., Fukuda, H., Nagata, T., Kogure K., Hamasaki, K. (2020) Distribution of dimethylsulfoniopropionate degradation genes reflects strong water current dependencies in the Sanriku coastal region in Japan: from mesocosm to field study. Frontiers in Microbiology, 11, Article 1372
Wong, S-K., Ijichi, M., Kaneko, R., Kogure, K., & Hamasaki, K. (2018). Ammonia oxidizers in the sea-surface microlayer of a coastal marine inlet. PLoS one, 13(8), e0202636
Shu-Kuan Wong, Susumu Yoshizawa, Yu Nakajima, Marie Johanna Cuadra, Yuichi Nogi, Keiji Nakamura, Hideto Takami, Yoshitoshi Ogura, Tetsuya Hayashi, Hiroshi Xavier Chiura, Koji Hamasaki (2018) Amylibacter kogurei nov., a novel marine alphaproteobacterium isolated from the coastal sea surface microlayer of a marine inlet. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 68: 2872-2877
太平洋亜熱帯海域でのSMLサンプリング
能登半島九十九湾でのSMLサンプリング
海泡エアロゾル発生・捕集装置
雲凝結活性の測定
Microbial Communities in the Sea Surface Microlayer as a Potential Source of Biogenic Ice Nuclei in Oceanic Regions (2018-2019)
The purpose of this study is to understand the roles of microbes and organic matter originating from the sea surface microlayer (SML) in controlling the distribution and abundance of ice nuclei (IN) in the atmosphere. The lack of understanding and research in the field of SML hampers the effort to predict the contribution of marine aerosol towards the global climate and radiation budget accurately. This statement rings true as well for the field of ice nucleation study especially in marine environment, whereby previous research have shown that these particles have the ability to control cloud lifetime, precipitation and radiative properties. In short, this study on the microbial dynamics in coastal SML with regards to ice-nucleating bacteria will provide significant insights into the yet-to-bestudied microbial roles in controlling atmospheric processes over large swath of ocean as well as regional climate.
「波の花」から探る海洋性バイオエアロゾルの微生物群集動態（2018）
The purpose of this study is to determine microbial community structures and functions in “Namino-hana”, sea foams often observed along the coast of the Sea of Japan in winter. Since the “Namino-hana” is an extreme and visualized form of organic matter rich aerosols, it exclusively provides a unique opportunity for studying microbial roles in formation processes of bioaerosols from the ocean.
日本海の冬の風物詩「波の花」 能登半島曽々木海岸でのサンプリング
精密試料採取手法に基づく北極海の海氷域における硫黄循環像の解明（2018-2020）
北極海の環境は近年の温暖化の影響で大きく変化しつつあります。北極海では、海洋で生成される硫化ジメチル（DMS）を起源とした雲形成による地球の冷却効果が、他の海域より大きいことが指摘されています。しかし、北極海を覆う海氷によって現場観測は困難であるため、DMSをはじめとした硫黄化合物の分布やその制限因子に関する研究は十分になされていません。本研究では、海氷域において水試料を鉛直的に採取できる方法を構築し、砕氷船を用いた北極海の海氷域における研究航海で適用します。そして、海氷に係る様々な水環境試料（メルトポンド、マイクロレイヤー等）を鉛直的に高分解能で採取することによって、DMSをはじめとした硫黄化合物の海氷域周辺の分布の特徴を明らかにします。さらに、その特徴と生物・化学パラメーター（植物プランクトン組成、遺伝子発現等）と比較することによって、その制限因子について明らかにすることを目的としています。
分子生物地理からの新海洋区系（2012-2017）
Shiozaki, T., Bombar, D., Riemann, L., Sato, M., Hashihama, F., Kodama, T., Tanita, I., Takeda, S., Saito, H., Hamasaki, K. and Furuya, K. (2018) Linkage between dinitrogen fixation and primary production in the oligotrophic South Pacific Ocean. Global Biogeochemical Cycles in press
Hamasaki, K., Shishikura, R., Suzuki, S., Shiozaki, T., Ogawa, H., Nakamura, T. and Suwa, Y. (2017) Distribution and phylogeny of anaerobic ammonium-oxidizing (anammox) bacteria in water column of the central Pacific Ocean. Deep-Sea Research Part II, in press
Suzuki, S., Kaneko, R., Kodama, T., Hashihama, F., Suwa, S., Tanita, I., Furuya, K. and Hamasaki, K. (2017) Comparison of community structures between particle-associated and free-living prokaryotes in tropical and subtropical Pacific Ocean surface waters. J. Oceanogr. 73:383-395
Shiozaki, T., Bombar, D., Riemann, L., Hashihama, F., Takeda, S., Yamaguchi, T., Ehama, M., Hamasaki, K. and Furuya K. (2017) Basin scale variability of active diazotrophs and nitrogen fixation in the North Pacific, from the tropics to the subarctic Bering Sea. Global Biogeochemical Cycles, 31:996-1009
Azimuddin, K., M., Hirai, J., Suzuki, S., Haider, M., N., Tachibana, A., Watanabe, K., Kitamura, M., Hashihama, F., Takahashi, K. and Hamasaki, K. (2016) Possible association of diazotrophs with marine zooplankton in the Pacific Ocean. Microbiology Open, 5(6): 1016-1026
Shiozaki, T., Ijichi, M., Isobe, K., Hashihama, F., Nakamura, K., Ehama, M., Hayashizaki, K., Takahashi, K., Hamasaki, K. and Furuya, K. (2016) Nitrification and its influence on biogeochemical cycles from the equatorial Pacific to the Arctic Ocean. ISME J 10:2184–2197
時系列メタゲノミクスでみる西部北太平洋亜寒帯・亜熱帯海域の微生物群集動態（2012-2016）
Honda, M., C., Wakita, M., Matsumoto, K., Fujiki, T., Siswanto, E., Sasaoka, K., Kawakami, H., Mino, Y., Sukigara, C., Kitamura, M., Sasai, Y., Smith, S., L., Hashioka, T., Yoshikawa, C., Kimoto, K., Watanabe, S., Kobari, T., Nagata, T., Hamasaki, K., Kaneko, R., Uchimiya, M., Fukuda, H., Abe, O. and Saino (2017) Comparison of carbon cycle between the western Pacific subarctic and subtropical time-series stations: highlights of the K2S1 project. J. Oceanogr. 73:647-667
Kaneko, R., Nagata, T., Suzuki, S., & Hamasaki, K. (2016). Depth-dependent and seasonal variability in archaeal community structure in the subarctic and subtropical western North Pacific. J. Oceanogr. 72: 427-438.
海洋における生物起源気体の変換に関わる細菌機能群の動態解析（2009-2010）
海洋における気候関連ガスの生成に関わる微生物機能群の解析（2011-2013）
Nagao, I., Tada, Y., Suzuki, K., Tsuda, A., Iwamoto, Y., Toratani, M., Hamasaki, K., Uematsu, M. (2018) Biogenic sulfur compounds in spring phytoplankton blooms in the western North Pacific off the coast of northern Japan. Progress in Oceanography in press
Cui, Y., Suzuki, S., Omori, Y., Wong, S. K., Ijichi, M., Kaneko, R., … & Hamasaki, K. (2015). Abundance and distribution of dimethylsulfoniopropionate degradation genes and the corresponding bacterial community structure at dimethyl sulfide hot spots in the tropical and subtropical pacific ocean. Applied and environmental microbiology, 81(12), 4184-4194.
Tada, Y., Taniguchi, A., Nagao, I., Miki, T., Uematsu, M., Tsuda, A. and Hamasaki, K. (2011) Differing Growth Responses of Major Phylogenetic Groups of Marine Bacteria to Natural Phytoplankton Blooms in the Western North Pacific Ocean. Appl Environ Microbiol 77:4055-4065
超並列シーケンサーが描く未知の海洋微生物圏の多様性とダイナミクス
Hamasaki, K., Taniguchi, A., Tada, Y., Kaneko, R., & Miki, T. (2016). Active populations of rare microbes in oceanic environments as revealed by bromodeoxyuridine incorporation and 454 tag sequencing. Gene, 576(2), 650-656.
環境変動に対する植物プランクトン生産および群集構造の応答
ミズクラゲポリプの微生物学制御
Tomaru, A., Sasaki, R., Miyahara, H., Okino, A., Ogawa, N., & Hamasaki, K. (2014). Settlement of planulae of the moon Jellyfish Aurelia aurita onto hydrophilic polycarbonate plates modified by atmospheric plasma treatment. PloS one, 9(1), e85569.