博 士（環 境科学） 石川由希

学位論文題名Th
eneurologicalandmolecularmechanismsof
soldier defensive behaviorintermites（ 兵隊 シロアりの防衛行動に関する神経分子基盤）

学位論文内容の要旨

社会性昆虫のコロニーは血縁者で構成されており、コロニーメンバーは遺伝的な違いがほば無いにも関わらず、あるタスクに特化した形態や行動を示す「カースト」に分化し、分業することでコロニーの生産性を上昇させている。シロアりの兵隊は防衛に特化したカ＾ストで、発達した大顎や額腺分泌物で外敵に対し積極的に攻撃する。この兵隊特異的な高い攻撃性には、特異的な神経回路や遺伝子発現が関与していると考えられるが、その詳細は全く分かっていない。本論文は、兵隊の攻撃性や防衛行動を司るしくみを明らかにし、そこから、
シ ロ ア り に お け る 兵 隊 の 進 化 プ ロ セ ス に 関 し て 考 察 し た も の で あ る。
主な材料としては，大型で神経系が扱いやすいオオシロアリHodoterm
opsissbs
細dぬを用いた。
Chapter！：防衛征動Q定量と恋ニ墨b差
まず初めに、クロヤマアりを外敵とした人工コロニーを用い、シロアりの単独時の攻撃性を定量した。その結果、シロアりの攻撃性は、兵隊冫擬職蟻（ワーカー）冫生殖虫の順に高かった。さらに、攻撃性に対する他個体の影響を調べると、兵隊の存在下での擬職蟻の攻撃性は生殖虫と同じレベルまで低下するが、生殖虫の存在下での擬職蟻の攻撃性は、兵隊と同レベルにまで上昇することがわかった。っまり擬職蟻は社会的な文脈（カーストの構成）によって攻撃性を可塑的に変化させていたのである。このような行動の可塑性は兵隊や生殖虫には観察されなかった。擬職蟻が状況に応じて攻撃性を変化させることで、コロニーの繁殖能カを効果的に守ることができると考えられる。
Chapter2：兵隊Q防衛征動l三担笠る量乏ミZ：空クbZ！ミZQ役劃
攻撃性は動物に広く見られ、その変動には生体アミンが関連していることが多い。本論文
で は、様々な昆虫において攻撃性との関連が知られるオクトパミン（OA)とその前駆体であるチラミン（TA)に注目した。高速液体クロマトグラフィによる計測の結果、脳、食道下神経節内のTA量が兵隊で有意に高いことがわかった。一方、OA量には差がなかった。兵隊と擬職蟻の脳と食道下神経節を免疫染色すると、兵隊のTA免疫反応性ニューロンの一部がワ―1149―

ーカーよりも肥大していた。これらのニューロンは、中大脳の中心体付近、後大脳、食道下神経節、胸部神経節などの中枢、また大顎筋や触角などに投射していることがわかった。TAはOAの前駆体であると同時に、それ自体も神経調節機能を持っ。このため、兵隊におけるTAレ ベル の増 加や TA免 疫反 応性 ニューロンの肥大化の解釈として、（1）OAが兵隊の高い攻 撃性をもたらしており、TAはその前駆体として増加している、もしくは（2）TAそのものが高い攻撃性をもたらしている、というふたっが考えられた。これらを検証するため、OAと TAの投与が擬職蟻の攻撃性に与える影響を調べた。その結果、TAの投与により、擬職蟻の攻撃性が有意に上昇することが分かった。一方、OAの投与ではそのような効果は見られなかった。このことから、シロアりにおいてはTAが攻撃性を調節しており、兵隊特異的な高い攻撃性の実現に寄与していることが示唆された。
Chapter墨 ： 瞳 丑 ユ 圭 型 兵 隊 と ろ Zヒ ニ 型 兵 隊 cD運 動 制 御 2墨 至 ム Q比 較
兵隊は種によって多様な防衛行動を進化させている。これらの防衛行動は大顎で咬みっく「物理的防衛」と忌避性の分泌液を噴射する「化学的防衛」に大きく分けられ、化学的防衛は進化的に派生的である。これらの異なる防衛行動は、それぞれ異なる神経機構で支配されているのだろうかマ本論文では咬みっき型兵隊を持っオオシロアりと、額腺から毒液をスプレーする兵隊を持っタカサゴシロアりを用いて、その防衛行動を支配する運動系を比較した。
オオシロアりのカースト間で大顎運動ニューロンを比較すると、兵隊の細胞体はワーカーより大きく発達していることがわかった。一方、タカサゴシロアりの兵隊の大顎運動ニューロンは、大顎運動ニューロンの一部のみ肥大化していた。肥大化したニューロンは毒液噴射を司る筋肉を支配し、残りのニューロンは退縮した犬顎を支配していると考えられる。このことから、一見多様に見える兵隊の防衛行動も、背景には共通した神経メカニズムが存在して お り 、 僅 か な改 変 が 新し い行 動の獲 得を もたら して いるこ とが 分かる 。
Chapter生 よ 兵 隊 金 化 蛙 異 的 な 袖 経 発 生 t三 閏 豊 士 る 遺 伝 壬 発 現 変 i匕
兵隊特異的な神経構造がどのような遺伝子によってもたらされるのかを調べるために、Differentia
l display法と定量PCRによる遺伝子発現スクリーニングを行った。その結果、兵隊分化過程の神経系で発現が上昇している遺伝子群は、14‑3‑3e，Ciboulot,B‑tubulinなどニューロンの形態を変化させる機能を持っものだった。これらの遺伝子が、大顎運動ニューロンやTA免疫反応性ニューロンの肥大化などの、兵隊特異的な神経回路の形成に関与していると考えられる。
以上のような一連の研究において、兵隊シロアりにおいて高い攻撃性や防衛行動をもたらす分子・神経メカニズムが明らかにされた。これらの兵隊特異的な神経機構の獲得が、兵隊の進化プロセスに重要な役割を担っていたと考えられる。

− 1150−学位論文審査の要旨
主査

准教授

三浦副査

教授

東副査

教授

木村正人

副査

准教授

徹正剛

青 沼仁 志（電 子科 学研 究所 ）学位論文題名Theneurolog
icalandmolecularmechanismsof
soldier defenSiVebehaViorintermiteS（兵隊シロアりの防衛行動に関する神経分子基盤）

生 物に 見ら れる 複雑 な形 質の 進化 プ口 セス を理解す ることは現代科学の主要な命題のーつである。なかでもアりやハチ などをはじめとする真社会I生昆虫にみられる高度に発達した社会 性 は、 進化 によ って もた らさ れた 最も 精巧 な性質の ーっとして古くから学術的興味を惹きっけてきた。本学位論文は同 じく真社会JI生昆虫であるシ口アりの社会行動、特に兵隊力 ー
スト 特 異的 な防 衛行 動や 高い 攻撃 性に 注目 し、 これらの 神経分子基盤を探ることが主題となっている。社会生態学という文 脈でしか取り上げられることのなかったシ口アりの行動 学に、分子 生 物学 や生 理学 的な 解析 を導 入し た申 請者 の研究は 非常に独創的であり、社会生物学に新たな知見をもたらす研究とな ってしゝる。
第 一 章 で 申 請 者 は 、 オ オ シ 口 ア リ Hodotermops舌承 瑚厩 を用 いて 攻撃 性を 人工 環境 下で定 量 し、 防衛 行動 のカ ース ト特 異陸 をも たら すヌカニ ズムを探る基盤を確立した。またその実 験 過程 で、 擬職 蟻の 攻撃 性が 他個 体の 存在 によって 変化することを新たに発見した。兵隊の 存 在下 での 擬職 蟻の 攻撃 性は 生殖 虫と 同じ レベルま で低下したが、生殖虫の存在下での擬職 蟻 の攻 撃性 は、 兵隊 と同 レベ ルに まで 上昇 した。一 方、兵隊や生殖虫はこのような変化を見 せ なか った 。古 くか ら擬 職蟻 は兵 隊に も生 殖虫にも 分化できる全能性を持つことが知られて い た。 本研 究に よって、 擬職蟻はこの発生学的な可塑I生に加え、行動学的にも高い可塑性を 持 ち、 社会 的な 文脈 （カ ース ト組 成） に応 じて攻撃 陸を柔軟に変化させていることが示
唆さ れ た。 この よう な擬 職蟻 の可 塑的 な攻 撃性 はコ口二 ーの効果的な防衛に大きく寄与していると考えられる。
第 二章 では 、兵 隊特 異的 な攻 撃性 をも たら す生理活 性物質の候補として生体アミンに焦点が 当 てら れた 。申 請者tま第一章に引き続きオオシ口ア りを材料に様々なアプローチでシ口アりの社会行動と生体アミンの 関連につしゝて解析している。高速液体ク口マトグラフ ィによる脳 内 アミ ン量 の計 測の 結果 、脳 、食 道下 神経 節内では チラミン量が兵隊で有意に高いこと

が わ かっ た。 また、兵 隊と擬 職蟻の脳 と食道 下神経節 を抗チラ ミン抗 体で免疫 染色す ると、
兵隊 のチラミ ン免疫 反応亅l生二ユー口ンの一部がワーカーよりも肥大していた。これらのニュー口 ンは、中 大脳の 中´L丶体付近、後大脳、食道下神経節、胸部神経節などの中枢、また大顎筋 や 触角 など に投射し ている ことがわ かった 。チラミ ンはオク トバミ ンの前駆 体であ ると同時 に 、そ れ自 体も生理 活性物 質として の性質 を持つ。 このため 、兵隊 における チラミ ンレベ
ル の 増加 や チ ラミ ン 免 疫反 応 性 二ユ ー口 ンの肥 大化の解 釈とし て、（1）オク トバミ ンが兵隊 の 高い 攻 撃 I生 を も たら し て おり 、 チラミ ンはその 前駆体と して増 加してい る、も しくは（2）チラミンそのものが高しゝ攻撃亅l生をもたらしている、としゝうふたっが考えられた。これらを 検証する ため、 オクトパ ミンとチ ラミン の投与が擬職蟻の攻撃性に与える影響を調べた。
そ の 結果 、チ ラミン投 与によ り擬職蟻 の攻撃 性が有意 に上昇し たが、 オクトバ ミンの 投与では そ のよ うな 効果は見 られな かった。 このこ とから、 シ口アり におい てはチラ ミンが 攻撃性
を 調 節 し て お り 、 兵 隊 特 異 的 な 高 い 攻 撃 I生 の 実 現 に 寄 与 し てい る こ とが 示 唆 され た 。
第 三 章ではシ 口アリ 目の多様 な防衛行 動に関 して、そ の運動 制御ヌカ ニズム の種間比 較を 行 って いる 。兵隊は 種によ って多様 な防衛 行動を進 化させて おり丶 大顎で咬 みっく 「物理的防 衛」と忌 避Iftの分泌液 を噴射す るッ匕 学的防衛 」に大 きく分け られる 。これまでの系統学 的 解析 から 、化学的 防衛は 進化的に 派生的 であると されてい る。本 論文では 物理学 的防衛を 行 うオ オシ 口アりと 、化学 的防衛を 行う夕 カサゴシ □アリNasutitermes takasagoensisを用しゝて、その防衛行動を支配する運動系を比較してしゝる。オオシ口アりのカースト間で大顎運 動 ニュ ー口 ンを比較 すると 、兵隊の 細胞体 はワーカ ーより大 きく発 達してい ること がわかった 。一フ亨 、夕カ サゴシロ アりの兵 隊の大 顎運動二ユー口ンは、大顎運動二ユー口ンの一部のみ 肥大化し てしゝ た。肥大 化したニ ュー口 ンは毒液噴射を司る筋肉を支配し、残りのニュー口ン は退縮し た大顎 を支配し てしゝる と考え られる。このことから、一見多様に見える兵隊の防 衛 行動 も、 背景には 共通し た神経ヌ カニズ ムが存在 しており 、僅か な改変が 新しい 行動の獲得をもたらしてしゝることが示唆される。
第 四 章では、 ここま での研究 で発見さ れた兵 隊特異的 な神経 構造がど のよう な遺伝子 によっ てもたら される のかを調 ぺるため に、Diff
erentia
J display法と定 量虹汀・PCRによる遺伝 子 発現 スク リーニン グを行 っている 。その 結果、兵 隊分化過 程の神 経系で発 現が上 昇してしゝ る遺伝子 群は、 J4g
あCめ〇む ）ち居 ￠め泌Hなどニ ュー口 ンの形態 を変化させる機能を持っ も のだ った 。これら の遺伝 子が、大 顎運動 二ユー口 ンや皿娩 疫反応 性二ユー ロンの 肥大化
な ど の 、 兵 隊 特 異 的 な 神 経 回 路 の 形 成 に 関 与 し て い る こ と が 示 唆 さ れる 。
申請者のこれらの研究において、兵隊シ口アりにおいて高い攻撃´I生や防衛行動をもたらす分 子・神 経ヌカニ ズムが 明らかに された 。本学位 論文にお いては特に、非モデル生物であるシ ロアり を材料に 、様々 な異なる レベル （行動、 二ユー口 ンの形態、遺伝子発現、生理活性物 質）か ら社会行 動に対 してアプ 口ーチ し、明確 な結果を 示した点は高く評価できる。本
研究 を参考 として、 シ口ア リ目の社 会行動 や分業に 関する研 究は今後大きく発展することが期待 できる だろう。 審査員 一同は、 これら の成果を 高く評価 し、また、未開拓の材料や現象に挑 戦する 研究者と しての 姿勢、大 学院博 士課程に おける研 鑽をあわせ、申請者が博士（環‑ 1152―

境科学）の学位を受けるに十分な資格を有するものと判定した。