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サンゴ礁の運命予測に向けて (2020-US-45MP-615)

アンダーソン・メイフィールド博士（助教）、マイアミ大学

世界中のサンゴ礁は、気候変動、特に海水温の上昇によって脅威にさらされています。海洋生物学者として、私たちは通常、サンゴの死滅を記録し、劣化したサンゴ礁の調査を行い、「白化」（サンゴ礁の基盤となっている花虫類と渦鞭毛藻類の共生関係の崩壊）や病気によって衰弱したサンゴの割合を定量化します。これらのデータはサンゴ礁の管理に不可欠ですが、定住サンゴに利益をもたらすには遅すぎます。理想的には、サンゴが深刻な健康状態の悪化のより目に見える後期段階の兆候を示す前に、サンゴの健康状態を評価するべきです。過去20年間にわたる一連の実験室およびフィールド研究を通じて、私たちはサンゴのストレス反応に関与する細胞カスケードについてより深く理解するようになりました。その結果、サンゴ礁のサンゴの健康状態を、死滅前のタイムスケールで積極的に評価するために使用できる一連の分子バイオマーカー候補が発見されました。本プレゼンテーションでは、サンゴ礁の診断における進歩を概観し、JMP Proを用いて、環境変化の影響を最も受けやすいサンゴを予測するモデルを開発した方法を紹介します。また、回復力のあるサンゴを特定するための同様のアプローチについても紹介します。

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スピーカー	トランスクリプト
アンダーソン・メイフィールド	皆さん、ご視聴ありがとうございました。私の名前はアンダーソン・メイフィールドです。NOAAとマイアミ大学の助手科学者です。
	今日は、サンゴ礁の運命を予測するために私が過去 20 年ほど行ってきた研究の一部についてお話ししたいと思います。
	これから35～40分で多くの内容をお話しするつもりですので、まずはNSF、NOAA、そして資金提供機関に感謝の意を表したいと思います。
	リビング・オーシャンズ財団。私がこれまでのキャリアで幸運にも成し遂げることができた仕事の多くは、遠隔地で行われてきました。
	かなり新しい技術を使用している場所では、費用がかかりがちですが、この作業をサポートしてくれる優れた代理店と提携できたのは本当に幸運でした。
	私はサンゴ生物学のあらゆる側面、特に基礎的な細胞生物学に興味を持っています。細胞は日々どのように機能しているのでしょうか。これからお見せするように、細胞は非常に密集しています。
	私はかなり長い間、水族館での研究をしていました。温度や海洋酸性化などのさまざまなストレス要因をサンゴに与える研究です。
	PCO2レベルです。私たちはこれをミクロコズムとメソコズムで行いました。これを環境生理学と呼んでいますが…今日はこのデータをいくつかお見せしたいと思います。
	私がここ数年間本当に熱心に取り組んできたこと、つまりこのプレゼンテーションの核心は予測です。
	ここで私が言っているのは分子診断です。サンゴが病気かどうかはどうやってわかるのでしょうか？通常は、サンゴがほぼ死に瀕するまで待ってから診断します。私がやりたいのは、サンゴの病気を少しでも早く発見することです。
	こうした事後的な診断アプローチから、より積極的なアプローチへと転換する。サンゴが病気になり始める前に、その健康状態の微妙な低下を検知できるだろうか？
	今後数十年間でどれが最も成功するか、どれが失敗するかを予測することはできるでしょうか?
	これが私が日々行っていることの核心であり、今日お話ししたいことでもあります。
	以前私のJMP講演を聞いたことがある方には申し訳ありませんが、繰り返しが多くなります。
	しかし、私は基本的に、サンゴ礁の生物学について、理解を深めるために重要ないくつかの点について、全員に同じ認識を持ってもらいたいのです。
	なぜ私がこのようなやり方をとったのか、そしてサンゴ礁が直面している問題についてお話ししたいと思います。残念ながら、現在サンゴ礁の分野で働いている私たちのほとんどは、
	サンゴ礁を研究するのは、その美しさや魅力のためだけではなく、サンゴ礁が急速に死滅しているからです。
	次に、サンゴの運命を予測するための、全く異なるものの、潜在的に補完し合う可能性のある2つのアプローチについてお話しします。1つは、衛星データから地球全体の気温の傾向を調べることです。多くの人が頼りにしているのはこれです。
	これから新しいデータについてお話しします。JMPを使って、分子分析データをマシンから直接取得し、
	細胞ベースのアプローチを用いて、直接予測を行います。つまり、サンゴの健康状態を予測するために地球全体の温度パターンを見るのではなく、サンゴの細胞の内部を実際に観察し、何か問題が起きていないか診断できるかどうかを調べているのです。
	限られた時間の中で多くのことをカバーしようとするので、どうしても説明が足りない部分があります。ご質問があれば、アップロードしておきます。
	今日お見せするすべてのデータです。スライドは隠されています。JMPで作成したものの中には、何が起こったのか分からないものもあるかもしれません。
	これらはPowerPointの中に入っています。ダウンロードしていただければ、詳細な分析内容をステップごとにご覧いただけます。
	どちらでも構いません。もちろんです。PowerPointのデータはすべてオープンアクセスにしているので、メールで送ってください。ここに掲載した私の個人ウェブサイトもぜひご覧ください。
	ご質問があれば喜んでお答えします。これらのデータは重要だと考えています。まだ公開されていませんが、お時間のある時にぜひご覧ください。
	ほとんどの人はサンゴ礁がどんなものか、大体ご存知だと思います。まずは定義からお話しします。サンゴ礁は炭酸カルシウムをベースとした構造物です。
	これは動物と植物の共生によって築かれたものです。彼らは温かい水を好みます。でも、すぐにわかるように、あまり温かい水はダメです。
	赤道や熱帯地方に近いため、魚類や無脊椎動物など、生物多様性が非常に高い傾向があります。この写真からもわかるように、
	小さな生物の隠れ場所がたくさんあります。つまり、商業的に重要な漁業にとって重要な生育場所であり、文字通り海岸線の緩衝地帯となっているのです。
	海岸線は嵐や波による被害から守られ、人間に多くの生態系サービスを提供してきました。正直なところ、私がサンゴ礁を研究したのはそのためではありません。私がサンゴ礁を研究するのは、
	美しいですね。スキューバダイビングが大好きです。そして、その基盤となる骨格を形成する生物自体が本当に魅力的で、サンゴ礁も魅力的だと思います。
	サンゴ礁は、実は単なる動物ではありません。組織の約半分に植物細胞、特に渦鞭毛藻類が含まれています。
	ここに示した渦鞭毛藻類、この舌を巻くような科名はSymbiodiniaceaeですが、光合成を活発に行っています。植物と同じように、太陽光から炭素を固定し、固定した炭素を宿主へと輸送します。
	はい。サンゴは餌を食べることができます。刺胞と呼ばれる特殊な刺胞細胞があり、これはすべての刺胞動物に備わっています。
	しかし、率直に言って、彼らは栄養のほとんどを共生生物に頼っています。共生生物もまた
	サンゴから老廃物を代謝に利用しているのです。隠れ場所も確保しています。本当に複雑な仕組みです。
	相互関係は 50 年以上にわたって研究の対象となってきましたが、まだ理解されていない重要な側面が数多くあります。
	実際のところ、この講演で知っておく必要があるのは、サンゴは生理学的には3分の2が動物で、3分の1が植物であるということです。
	生理学者の視点から言うと、これは基本的に生理学的な矛盾であり、渦鞭毛藻類との共生関係を通じて光合成を行うことができる動物という意味です。
	サンゴの健康状態を理解するには、サンゴそのものだけでなく、その内部共生する渦鞭毛藻類にも注目する必要があります。そして、実際にはそれだけではありません。
	サンゴは、マイクロバイオームと呼ばれる小さな生態系を形成しています。サンゴの骨格の表面、内部、さらには内部にも、無数の細菌、ウイルス、真菌が生息しています。
	今日は渦鞭毛藻類とサンゴの宿主についてのみお話ししますが、本当に全体的な理解を得たいのであれば、いわゆる宿主と共生生物の融合体であるホロバイオント全体を考慮する必要があるとだけ言っておきます。
	これはおそらく皆さんのほとんどが既にご存知のことだと思いますが、サンゴ礁に対する世界的な脅威は数多く存在します。沿岸開発による海水汚染や乱獲などです。
	フロリダでは、特に病気が懸念されています。現在、フロリダのサンゴ礁を壊滅させているのが、石サンゴ組織喪失病と呼ばれる病気です。
	しかし地球規模で見れば、ほとんどのサンゴ生物学者がサンゴ礁への最大の脅威として挙げるのは、気候変動だと私は断言します。その理由は
	これらのサンゴは、基本的にすでに耐熱性の上限付近で生息しています。この温度をもう少し上げると
	彼らが耐えられる量を超えると、白化します。そして、この写真のような状態になります。これはつまり、彼らが渦鞭毛藻を失ったことを意味します。
	排出したか消化したかのどちらかです。渦鞭毛藻はまだサンゴの中にいるかもしれませんが、その力は失われています。
	これらのサンゴは光合成ができなくなり、つまり自ら栄養を得ることができなくなってしまいます。
	もし彼らがすぐに共生生物を再び獲得することができなければ、あるいは、彼らのそばを通り過ぎる食物が豊富な海水を浴びることができなければ、彼らは餓死してしまうでしょう。
	つまり、通常、年間の平均最高気温より摂氏約 1 度高くなると、白化現象が見られるのです。
	これは何十年も前から知られていました。そこでNOAAは約20年前に、「Coral Reef Watch」というプログラムを開始しました。とても素晴らしいウェブサイトなので、ぜひご覧になることをお勧めします。これは非常にシンプルなアイデアに基づいています。サンゴを、サンゴにとって通常よりも高い温度の水にさらすのです。
	長期間にわたって、それは普遍的に良くありません。この考え方は「度加熱週」として知られているので、説明してみたいと思います。
	これは…解像度が低くて申し訳ありませんが、彼らのウェブサイトに掲載されている説明用の図です。重要なので、この図を詳しく見ていきましょう。
	左の Y 軸には、海面温度を表す SST があり、これは衛星から推定された温度データです。
	右側には、週当たりの気温上昇度（摂氏）を示しています。これは基本的に、平年より摂氏で何度高いかを時間で積分したものです。つまり、この場合、約29度の青い斜線は、年間で最も暑い月の平均値で、この場合はおそらく
	夏かな。
	つまり、この過去1ヶ月間の平均値より1度高い温度からストレスが蓄積し始めます。つまり、29度に1を足すと30度になります。
	これらのサンゴが30度以上で過ごす時間は、この例はパルミラ環礁のものですが、
	気温が4週間にわたって月平均最高気温より1℃高い場合、気温は4℃上昇週となります。
	平均月最高気温より2度高く、つまり31度が2週間続いたことになります。つまり、気温が4度高くなる週ということですね。つまり…
	彼らの基本的な仮説は、2週間の月平均最高気温より2℃高い気温が続くと、同じような白化の終点に達するというものです。
	4週間で1度ということになります。生理学者の観点からは、これにはいくつか問題があるかもしれませんが、全体としてはかなり良い方法だと思います。
	基準値です。そして、彼らの基本的な基準は、気温が4度を超える週、つまり4～8週間の期間に入ると、おそらく白化現象が見られるようになるということです。
	それで、
	ウェブサイトには過去のデータを示すとても素敵なGIF画像があります。これは過去3～4ヶ月分のデータです。
	これはカリブ海で、赤く見える部分は4週間から8週間の高温期です。白化現象が実際に起こると予測されているのはここです。
	NOAA自体は地上調査をほとんど行っていないので
	彼らは、電子メールや電話で、「ねえ、私が気に入っているこの特定のサンゴ礁でのあなたの予測は間違っていることを知っていますか。
	あるいは、これが正しかったんだ。」そう思います。最近は私たちの多くが家にいることが多く、ダイビングもできないんです。
	こういったインシリコ科学は、おそらく私たちにできる最善のことなのでしょう。今年の夏は、気温の変化を観察し、サンゴが嵐を乗り切れることを祈るばかりです。
	サンゴの健康状態を見るための全く異なる予測的アプローチがあります
	これは実際には…サンゴ礁ウォッチは1年以内の白化の進行状況を示しています
	一年で最も暑い時期の予測です。そして実際には4ヶ月先まで予測されます。そのため、アルゴリズムは
	天気と同じように、今後4ヶ月でこれらのサンゴ礁で何が起こるかを予測します。このモデルは、いわば
	NOAAのCoral WatchとIBCCの気候変動予測に基づくいくつかの国連モデルを組み合わせたもの
	少し違う視点から見ています。ここでは、セル内の温度を見るのではなく、毎年の深刻な白化現象が始まった年を見ているのです。
	それはどういう意味ですか？気温記録と予測される温暖化週間に基づいて、今年は白化現象が見られるようになると予測されています。
	毎年です。サンゴが1年間白化したら、
	例えば、暑い夏には、サンゴがいくつか死んでしまうかもしれませんが、サンゴは回復していきます。中には順応するものもいます。適応さえ見られるかもしれません。
	白化現象が何年も続き、休む暇もなくなると、サンゴ礁は本格的に劣化し始めます。規模を見れば、これは恐ろしいことだと分かります。
	2015年は明らかに既に過ぎ去っています。サンゴ礁（これは南フロリダの地図です）は、約25キロメートル四方のピクセル全体で既に白化が予測されており、毎年白化が進んでいます。
	私が興味を持っているのは、生理学者として、これらのモデルに反論したいのではなく、
	25キロ四方の正方形を一つずつ詳しく調べるのです。これは地球規模のモデルだと分かっているからです。
	全てのサンゴ、そしてこれらのピクセルが白化していくでしょう。多様性が生まれることは分かっています。より強い種がいくつか現れるでしょう。種の中にも、より強い遺伝子型が現れるでしょう。
	これは私のような人々が興味を持っていることです。これらのモデルの空間解像度、さらには時間解像度を向上させるために、
	サンゴ自体のデータですか？これは温度だけを見ているだけです。これをサンゴ自体の健康状態とどう組み合わせればいいのでしょうか？私がNOAAに来る前は、
	1年半前、フロリダキーズ北部で素晴らしい成果が上がっており、私にとっては素晴らしいことです。私たちはすでに
	サンゴ礁については、過去20～30年にわたり、海洋学や生態系についてあらゆることが分かっています。私のように、サンゴ礁に行きたい人にとっては
	サンプルを採取し、分析を行い、予測を立てる、これは本当に素晴らしいシステムです。それでは、具体的に4つの場所についてお話したいと思います。チーカ・ロックスについてお話ししますが、ここでご紹介したいのは、私たちが持っているものです。
	ザ・ロックスとチーカ・ロックスは、私たちが好む沿岸のリーフです。リトル・コンチ・リーフとクロッカー・リーフは沖合にありますが、実際には他にもたくさんあります。
	しかし、過去 20 年から 30 年にわたる大規模なデータセットから、これらの沿岸のサンゴ礁はより回復力があることがわかっています。
	サンゴはより強く、サンゴの被度は高く、病気や高温への耐性も向上しています。これは、サンゴがストレス耐性を強化されているためです。
	環境は劣悪です。彼らは汚い環境に暮らしているのに、
	サンゴが生息する濁った水…栄養分の多い水は、サンゴが通常であれば繁殖できないものですが、サンゴはそこに適応、あるいは順応しているのかもしれません。そのため、将来的にストレス要因が襲ってきたとしても、より効果的に抵抗できるのです。
	休暇を過ごすなら沖合のサンゴ礁が最適かもしれませんが、海はカリブ海の美しい景色を呈しています。
	しかし、サンゴは右側の写真のように見えます。小さなサンゴの塊です。ほとんどは白化や病気で死滅しています。沿岸のサンゴ礁では、まだこのような大きなサンゴを見ることができます。
	巨大なサンゴの群体です。ここに写っているのはOrbicella faveolataという種で、今回の講演で取り上げます。
	特にチーカ・ロックスからは、本当に素晴らしい画像が撮れます。NOAAのウェブサイト、特にこのサイトでは、国立海洋保護区のバーチャルダイビングが楽しめます。
	それでは、チーコ・ロックスの温度データを見て、先ほどお話しした「度加熱週」と「度加熱週」の文脈で考えてみましょう。
	NOAAのサンゴ観測予測です。実はこれはグラフビルダーで作成したものですが、後でJMPを使うときには
	16 のベータ版です。ただし、JMP 15 ユーザーがまだ利用できないツールについては取り上げません。
	非常に基本的な内容になりますので、今回の講演ではJMP 16特有の内容は特にご紹介しません。
	ここではグラフビルダーを使って、NOAAのサンゴ観察グラフを模倣してみました。ただし、チーカ・ロックスに焦点を絞っています。左のY軸に海面水温が表示されています。
	右側は加熱週の度数です。これはチーカ・ロックスにおける過去平均気温で、年間最高気温は7月と8月です。気温は31度で、サンゴ礁にとってはすでにかなり暑いです。
	国連海洋大気庁（NOAA）が推奨する月平均最高気温に1を足すと、32度になります。つまり、サンゴはストレスを蓄積し始めると考えられます。
	32度以上。暖房週数は、気温が32度以上だった時間に基づいて計算します。しかし、実際には32度では暑すぎることが分かっています。
	32 を基準に暖房週数を計算した場合、暖房週数 4 度のしきい値に達することは決してありません。これは、ここで一番下の網掛けの赤い線で示されています。
	代わりに、このグラフではJMPの暖房週の計算を31.3度にリセットしました。
	白化閾値のようなものですね。私たちはこれらの場所に頻繁に行くので、32は高すぎると分かっています。サンゴが31.3を超えると
	4～8週間で白化が始まります。NOAAのサンゴ観測モデルが悪いというわけではありませんが、特定の地域では、ご自身の現地観測に基づいて微調整が必​​要になるかもしれません。
	これは、チーカ・ロックスを詳細に研究してきた年を実際に見ています。ご覧のとおり、2014年と2015年に白化現象が初めて見られ、その年の気温上昇週数は31.3度でした。
	赤い実線で示されている閾値は 10 を超えており、これはかなり大きい値です。
	ですから、これらの年には間違いなく白化現象が見られると予想されます。例外は2016年です。2016年はグラフでは少し見えにくいですが、一番上の赤い部分が見えています。
	気温は9～10度くらいまで上がる週の気温とほぼ同じです。その年はサンゴ礁が白化するはずでしたが、そうはなりませんでした。
	ですから、これは、ご存知のとおり、環境への順応、あるいは単に回復しているだけなのかもしれませんが、異常な年でした。2017 年は、8 週間の気温上昇があったにもかかわらず、比較的涼しい年で、サンゴ礁の白化は起こりませんでしたが、2018 年、2019 年と白化が起こりました。
	そして今朝、これを2020年に焦点を絞って更新したのですが、数週間前にこのプレゼンテーションを初めて行ったときには、
	ご存知のとおり、白化の恐れはありませんでしたが、ここ数週間は気温が 31.3 度を超えているため、赤いバーが 4 度を超えつつあります。そのため、残念ながら、今年も白化現象が発生する可能性が高くなります。
	サンゴを扱う利点は、サンゴが固着性なので、幼生期を除いて動かないことです。そのため、これらの場所では
	漂白を見るだけでなく
	毎年、コロニーにタグを付けています。異なる時期にサンプルを採取することで、温度変化に応じてコロニーの生理機能がどのように変化するかを見ることができます。
	そして、私たちは実際に、漂白に関して毎年何が起こったかを知っているので、実際にその恩恵を受けることができました。つまり、3月にサンプルを採取したので、その後の予測ができるのです。
	8月にサンゴが白化したそうです。以前採取した生検を調べて、ストレスがないか確認できるかもしれません。
	私が本当にやりたいのは、白化プロセスのタイムラインを見ることではありません。コーラルウォッチはそれを十分にやっていると思うからです。
	夏にもっと漂白する。これ以上改善することはできないでしょう。タイミングをもう少し調整できるかもしれません。本当に知りたいのは、
	この特定の例では、なぜ部分的に漂白されている（PB）、漂白されている（BL）、またはNB（漂白されていない）が見えるのでしょうか？
	この不均一性は？右下を見ればわかると思いますが、青みがかったコロニーと、青みがかっていないコロニーが見える程度です。
	なぜサンゴの種類によって強さに差があるのでしょうか？これらのコロニーから得られる情報を使って、ストレスを受けたコロニーのプロテオームや分子レベルでのシグネチャーを作成する検査を行うことは可能でしょうか？
	回復力のあるものとは違います。私は、実際にはこちらの方が役に立つと思います。
	どのサンゴが先に白化するのか、次に白化するのかを事前に知る必要があります。でも、私の経験から、
	生検、分子分析、そしてその結果得られた予測モデルに基づくと、このサンゴは、こちら側のサンゴよりも白化に対してより耐性を持つようになると予測しています。
	それが私の目標のようなもので、ハワイで博士課程に在籍していた頃からずっとこの課題に取り組んできました。
	主に遺伝子発現に関する研究を行っており、ストレスに弱いサンゴで発現が急上昇する遺伝子を見つけられるかどうかを調べています。
	もしかしたら、これらの遺伝子は回復力のあるサンゴでは全く使われていないのかもしれませんし、あるいはその逆かもしれません。もしかしたら、回復力のあるサンゴにしか使われない遺伝子があるのか​​もしれません。これらは測定可能なものです。
	後に、遺伝子発現とタンパク質濃度の間には実際には相関関係がないことがわかった。
	サンゴでは、遺伝子データはバイオマーカー分析にまだ使えるはずです。遺伝子発現データはサンゴの健康状態を予測する上で非常に役立つかもしれません。
	しかし、細胞内で同時に何が起こっているのか、細胞の挙動を知りたいのであれば、タンパク質を観察する必要があります。推測することはできません。
	タンパク質レベルを遺伝子発現レベルから分離するのは、サンゴとその共生生物のR2乗が実質的にゼロだからです。そこで私は、2、3年前にプロテオミクス研究において劇的な方向転換をしました。
	私が今日皆さんにお見せしたかったのは、この要約を最初に書いたとき、
	タグ付けされたコロニーからのフィールドデータから、タンパク質シグネチャーが時間の経過とともにどのように変化するかを示します。
	ストレスに弱いサンゴと回復力のあるサンゴのために。それが、私たちの研究室が再開したら私が一番にやろうとしていることです。残念ながら
	COVIDの影響で、今は実験室での作業は禁止されています。フィールドワークも許可されていません。その代わりに、まだ役に立つかもしれない実験データをいくつかお見せしたいと思います。
	これらの質問のいくつかに答えることができました。つまり、ここには私たちのお気に入りのサンゴ、Orbicella faveolata があります。
	これはフロリダキーズ北部で撮影した淡い色のものです。先ほどお見せした4つのフィールドから撮影しました。
	簡単な実験を行いました。5日間、30℃に管理された温度と33℃という非常に高い温度で比較しました。これらは赤色で表示されます。
	図ではV、つまり非常に高い温度を表すVで示されているかもしれません。そして、より現実的な研究として、同じ対照温度で31日間曝露する実験を行いましたが、より環境的に現実的な高温である32℃に曝露しました。
	32 は、ほとんどのサンゴが長期間にわたる 32 への曝露に耐えられない領域に入り込んでいることを覚えています。
	そこで私がやったことは…つまり、私がやりたかったのは、これらのサンゴの細胞を観察して、白化が進むサンゴにのみ見られるタンパク質があるかどうかを確認することでした。
	順応性のある強靭な個体にのみ見られるものはありますか？
	そこで、ショットガンプロテオミクスという手法を採用しました。これは、サンプルに含まれるすべてのタンパク質を質量分析法で配列決定したという言い方です。
	分子分析や質量分析計の細かい部分まで踏み込んでいくと、実は全く単純ではありません。今日はそれについては触れませんが、私たちがこれを使用していることをお伝えしたいと思います。
	サーモフィッシャー社のQ Exactive質量分析計。これはこれまでに開発された分析装置の中でも最高のものの一つです。その性能と感度は驚異的です。
	しかし、サンゴでこのような分析を行う際には、サンゴのタンパク質と渦鞭毛藻のタンパク質の両方が得られるということを改めて強調しておきたいと思います。両方を見ることが非常に重要です。もしかしたら…

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