土壌微生物学研究の現状と展望（その１）
2015年 9月25日
陸雅海 北京大学都市・環境学院 資源・自然地理系教授
北京大学長江特別招聘教授，国家傑出青年基金獲得者。土壌微生物学と生物地球化学の研究に長期にわたり従事。代表的な成果には、▽微生物の安定同位体プロービング研究技術の改良、▽有機質嫌気分解微生物の群集交代の法則とカギとなる影響因子の提示、▽短鎖脂肪酸の嫌気酸化メカニズム及びカギとなる微生物の解明、▽水稲土中でカギとなる作用を発揮するメタン菌及び環境適応メカニズムの発見、▽水稲土のメタン酸化に対する農地管理措置によるコントロールメカニズムの解析――などがある。現在、多くの国際的な学術誌の編集委員を務める。
概要
土壌微生物は、生物地球化学プロセスのエンジンであり、土壌圏とその他の各ゾーンの間での活発な物質交換・循環の発生を促し、陸地生態系の地上-地下相互作用の維持や陸地生態系のプロセスと機能のサポートにおいて代替不可能な作用を発揮し、肥沃な土壌の形成と増進、汚染土壌の修復、地球の環境変化において重要な役割を演じている。このため土壌微生物学は、現代の土壌科学分野の研究の最前線、ホットトピックとなっている。しかし長期にわたり、土壌生物システムの複雑性と土壌生物学研究の技術手段の限界から、土壌微生物の多様性と機能に対する人類の認識は限られてきた。近年、微生物分子生態学技術の発展と応用に伴い、土壌微生物の研究では多くの重大な進展が実現され、土壌資源の持続可能な利用の促進に科学的な根拠と手段が提供されている。本稿は、近年の土壌微生物学分野における主要な研究の進展と発展傾向を簡単に振り返り、将来の発展に向けた提案と構想をたたき台として示すものである。
土壌微生物には、細菌や真菌、原生動物などが含まれ、その生物多様性は極めて豊かである。土壌微生物の陸地表層における役割や機能には、有機質の分解や養分循環の駆動、各種汚染物質の転換などが含まれる。土壌微生物は、陸地生態系の物質循環の駆動力であり[1]、土壌肥沃度の形成と持続発展の土台である[2]。現在すでに、土壌1グラムあたりの微生物の数量は100億個以上、土壌体1立方メートルに存在する微生物の種類は100万種にのぼることが知られており[3-5]、地球システムの生物多様性の最も複雑で豊富な環境とみなされている。そのために土壌は、地球システムの物質転換が最も活発なゾーンとなり、土壌圏は、大気圏・水圏・岩石圏・生物圏の間の相互作用の中枢と考えられている[6]。土壌中で発生する各種の生物地球化学プロセスは、地球の気候変動や食糧の供給と安全性、土壌の退化と修復、土壌資源の保持と保護、汚染物の移動・転換に影響を及ぼしながらコントロールし、人類社会の持続可能発展に影響する要素となっている[7]。中国は過去30年余りで巨大な経済発展を遂げたが、経済発展と環境保護との不均衡という問題が存在している。食糧の安全や環境汚染、淡水資源の不足、生物多様性の激減などの各種の問題が同時に出現している現在、中国の持続可能発展問題の解決は火急の課題となっている。土壌微生物学のさらなる研究は、中国の生態環境の持続可能発展に基礎理論と技術手段を提供するものとなる。
1 土壌微生物の分子生物学による研究方法の発展
顕微鏡技術の発明と分離培養技術の発展は、20世紀の土壌微生物学科の発展の土台を築いた。だが人々が土壌中に巨大な微生物の多様性と機能が存在することを理解し始めたのは1990年代になってからである。米国の学者カール・ウーズは20世紀後半、細胞のリボソームRNAの配列を生命進化の分子タイマーとする考えを提出し、生命の「三ドメイン説」を提唱し[8,9]、地球生物多様性の系統的研究に全く新しい視座をもたらした。ウーズの理論に基づき、微生物学者は、16SrRNAのシークエンシングに基づく分子生物学研究を発展させ、関連する方法は、土壌微生物の多様性の研究にすぐに応用された。大量の研究によって、従来の方法で知られた微生物が、実際には自然界に存在する微生物の1％に満たないことが明らかにされた[4]。16SrRNAは「生きる化石」のように、土壌中に巨大な生物多様性が包含されていることを人々に認識させ、地球システムの微生物の「ダークマター」の重要な構成要素であることが明らかにされたのである[10-13]。土壌微生物の群集の多様性と生態機能を探求するため、21世紀に入ると、各種の新たな研究方法が急速に発展し、16SrRNAの配列分析に基づく各種の方法から安定同位体プロービング技術や環境メタゲノミクス技術まで[14-16]、土壌微生物の種類と機能の探求には革命的変化が起こり、土壌微生物学はたちまち、土壌学や生態学、微生物学、環境科学などの学科において最も活発な交差発展の最前線となった。現代土壌生物学の研究は現在、地球システムの生体要素循環の解明や土壌資源の持続可能利用の促進、全地球的変化とその影響の理解、汚染環境の生物修復技術の発展に、最も力強い科学的な根拠と手段とを与えている。本稿は、土壌微生物の多様性と元素の生物地球化学循環という2つの面から、土壌微生物学分野における近年の主要研究の進展と発展傾向を論じるものである。土壌生物と土壌肥沃度増進、土壌汚染修復、全地球的変化などの問題の研究進展に関しては、最近の詳しい論評を参考にされたい[17,18]。
2 土壌微生物の多様性と機能の研究
「門」は生物分類における最高の分類階級である。土壌分子生物学の方法の発展と応用が進むにつれ、微生物の多様性に対する人々の認識は不断に発展してきた。20年余り前、学術界は、地球の原核生物は14門に分かれると考えていた。現在は、大量の環境ゲノムデータによって、環境中の原核生物の種類は少なくとも100門以上であることがわかっている[9,10]。また土壌には、最も複雑で多様な微生物の種類が含まれている。1990年代初め、人々は、1立方メートルの土壌サンプルには7000種の異なる原核生物群がいると推測していたが、21世紀初めになると、大量のデータに基づく統計学モデルによって、1立方メートルの土壌体には少なくとも100万種の異なる原核生物群が存在するとの予測がなされた[4,5]。微生物群集の多様性と構造の特徴のスピーディーな鑑定のため、土壌微生物学者は、バイオマーカー指紋検査に基づく多くの分析方法（リン脂質脂肪酸指紋分析技術、制限酵素断片長多型分析技術、変性剤濃度勾配ゲル電気泳動法、温度勾配ゲル電気泳動法など）を発展させた。これまでに16Sまたは18S rRNAを土台として、異なる地域または異なる土壌類型（農地、草地、森林）を対象として、土壌微生物学者は、大量の微生物群集の構造と多様性の研究を展開した[19,20]。土壌中の特殊機能の微生物群に対しては、機能遺伝子を分子マーカーに採用し、機能遺伝子の多様性と微生物群集の構造の研究を展開した。
微生物のその場（イン・サイチュ）研究の困難を克服するため、土壌微生物学者は、生物マーカー分子と光学顕微技術を組み合わせ、レーザー共焦点技術や蛍光イン・サイチュハイブリダイゼーション技術など一連の研究方法を革新発展させ[21,22]、これらの技術は、分子蛍光の可視性と顕微技術を組み合わせ、土壌微生物の種の数や構成比率、時空分布、個体群の特徴、群集構造などのその場研究に対する障害を取り除いた。関連研究は、「植物-土壌-微生物」の相互作用の研究の進展を促進した[23,24]だけでなく、「微生物-鉱物」界面の相互作用の研究を推進し[25]、ミクロ構造の動態観測を通じて、土壌構造の成分と微生物の活性の相互作用及びその生態系機能との関連を理解することを可能とした。このほか安定同位体トレースと分子マーカー分析を結びつけた方法も幅広く応用されている。DNA同位体プロービング技術やリン脂質脂肪酸同位体質量分析カップリング技術（PLFA-GC-MS）、ナノ二次イオン質量分析技術（NanoSIMS）などの応用[26,27]は、機能微生物の個体群の構造と多様性の研究を大きく推進した。土壌生物学者は、カギとなる土壌生態機能は土壌中の優勢菌群にかかっているとは限らないことを発見し、微生物菌群の構造と数量と土壌生態機能との間の非線形的な法則を明らかにした。
3 元素の生物地球化学循環の駆動メカニズム
土壌中の炭素や窒素、リン、硫黄、鉄などの生体要素の生物地球化学循環は、地球の各ゾーン間の物質交換の動態平衡と安定性に影響し、土壌生物学分野の最前線の研究方向の一つとなっている。土壌微生物が介入する生物地球化学プロセスは、土壌微生物のバイオマスの回転プロセスによって決まるだけなく、土壌微生物が持つ特殊代謝プロセスとも緊密に関連している。この特殊代謝モデルには、▽鉄や硫黄、硝酸塩の嫌気呼吸作用、▽鉄や硫黄、アンモニアの化学合成無機栄養作用、▽有機物質の発酵、嫌気性酸化、メタン合成作用――などが含まれる。様々な微生物類型が代謝の完成によってエネルギーの需要を満たしており、これらの代謝系統は、土壌中の関連元素の転換と循環を駆動するエンジンとなっている[1]。ここ10数年、国内外では、土壌の炭素や窒素、鉄などの元素の生物地球化学研究分野で一連の重要な進展が実現された。
3.1 土壌微生物と炭素循環
炭素循環は近年、注目がさらに高まっている土壌学の基本的な科学問題の一つである。土壌中の有機物質の転換や分解、蓄積は、土壌肥沃度の発展と変化に直接影響するだけでなく地球の炭素循環や温室ガス排出、気候変動にも影響を与える。国内外では、土壌呼吸及びその影響因子に関する大量な研究が行われ、植物-土壌系統における光合成同化炭素の移転分配法則が提示され[24]、地理や気候の異なる区域で大量の土壌炭素循環モデルのシミュレーション研究が行われ、土壌炭素循環に参加するカギとなる微生物群集の構造とメカニズムが提示された。全地球的変化を背景として、土壌呼吸のスループットの反応と変化に対しては、学術界の注目がとりわけ高い。大スケールモデルのシミュレーションによると、地球ではここ20年来、陸地のCO2排出量の増加と気温の上昇に明らかな正相関が見られ、異なる地域におけるCO2排出量の温度に対する感度は高い一致度を示した[28-30]。これらの研究結果からは、地球の気候変動に対する土壌微生物の呼吸（CO2排出）の反応には普及的な法則があることが強く暗示される。
低酸素土壌（湿地や水稲土壌）においては、有機物質は嫌気性分解を起こし、メタンを形成する。メタンは大気における重要な温室ガスの一つであるため、学術界はここ20年来、低酸素土壌の有機質分解とメタン産出のメカニズムをめぐって大量の研究を行い、とりわけメタン生成微生物の研究では一連のブレークスルーが実現された。欧米の科学者は、北半球の湿地とりわけ泥炭沼沢地のメタンの産出と排出のメカニズムに対して系統的な研究を展開し、分子生物学と従来の分離培養を結びつけた方法を通じて、北半球の典型的な酸性泥炭土においてカギとなる役割を果たすメタン菌群集を探求した[31-34]。ドイツと日本、中国の科学者は、水稲田のメタン産出プロセスのメカニズムに対する大量の研究を展開し、水稲土中でカギとなる役割を果たす非古典的な菌群、一種の新型メタン菌を発見した。この種の古細菌の分離培養は、メタン菌の伝統的な分類体系にブレークスルーをもたらし[35-39]、稲田のメタンの産出と排出のコントロールに理論的な土台を与えた。
3.2 土壌微生物と窒素循環
窒素は、生命に必要な栄養元素であり、土壌窒素の生物地球化学プロセスは農業生産と緊密に関連している。土壌窒素の生物転換は、窒素固定作用や硝化-反硝化作用、アンモニア化作用、鉱化作用などのプロセスからなり、そのうちアンモ酸化は、農業土壌における窒素循環の重要な一部である。近年の国際アンモ酸化研究における一大ブレークスルーは、アンモ酸古細菌を発見・分離培養したことである[40,41]。細菌は長期にわたって、アンモ酸化プロセスの唯一の実行者と考えられてきたが、アンモ酸古細菌の発見はこの従来の理論にとってのブレークスルーとなった。分離培養したアンモ酸古細菌の研究によると、これらの細菌は、アンモニウムまたは遊離アンモニアを酸化する能力を持つが、細胞内には中間産物であるヒドロキシルアミンは検出されず、アンモ酸古細菌はアンモ酸化細菌とは異なる特殊代謝ルートを備えていることがわかった。同時に、農地と実験室における大量のシミュレーション実験によって、アンモ酸古細菌が特定の特殊な土壌条件の下、例えば酸性土壌において主要な作用を発揮することも明らかとなった[42]。土壌古細菌のアンモ酸化プロセスへの参加の発見は、細菌がアンモ酸化プロセスに介入するとの従来の観点を覆し、多くの基礎理論の研究と思考を引き出し、アンモ酸古細菌の生態機能に対する探求は、現在の微生物窒素循環プロセスの研究のホットトピックの一つとなっている[42-46]。
炭素や窒素のほかには、国内外では、リンや鉄、硫黄などの元素の微生物転換のプロセスや循環についても大量の研究が行われている。菌根菌は、陸地生態系における最も典型的な植物-微生物共生体であり、ある研究によると、森林と草原の土壌系統において、菌根菌は、土壌リン素の転換と移動で極めて重要な作用を発揮するだけでなく、炭素・窒素循環においても重要な役割を演じている[19]。土壌中の鉄・硫黄循は、特殊な微生物群によって仲介されるため、例えば鉄還元菌は、細胞外電子伝達の能力を備えておけばならない[25]。鉄・硫黄循環は往々にして炭素・窒素転換と結び付けられる。現在、世界的な発展傾向の一つは、土壌の炭素・窒素・鉄・硫黄・リンの元素のカップリングプロセスのメカニズムを対象に系統的な研究を展開するもので、これらの新たな研究傾向は、「土壌-微生物」の複雑な体系の相互作用を写し出した現実の姿であると考えることができる。
（その２へつづく）
※本稿は陸雅海「土壌微生物学研究現状与展望」（『中国科学院院刊』第30巻・増刊，2015年、pp.106-114）を『中国科学院院刊』編集部の許可を得て日本語訳・転載したものである。
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