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日本農学会シンポジウム

SDGs を超える農学のブレイクスルー

メタノール資化性葉面共生菌による“C1 炭素固定”と農学への展開
阪井康能*〔キーワード〕：C1 微生物，C1 炭素固定，炭素循環，メタン，メタノール
1．はじめにメタンなどの C1 化合物を単一の炭素・エネルギー源として利用できる C1 微生物を単離してきた．その過程でどのような植物の地上部表層にもメタノール資化性 Methylobacterium 属細菌が棲息してい従来，微生物-植物宿主間の相互作用は，根粒菌

た 1）．一方，メタン酸化細菌は水生植物表層に多くや菌根菌など，植物地下部を対象とした研究が主な棲息し，そのメタン消費量は陸上植物の約 500 倍以ものであった．葉面など，植物地上部における微生上にも達し，水生植物が重要なメタンシンクである物との相互作用については，植物病原菌の感染機構ことを見いだした 2）．と植物免疫など，負の相互作用に関する知見は多く

Methylobacterium 属細菌はメタノール平板培地上あるが，植物地上部に棲息する微生物の正の相互作でピンク色のコロニーを形成し，メタノール以外の用については殆ど知られていない．近年，メタノー

コハク酸などを炭素源として利用できることからルを単一の炭素・エネルギー源として生育する

pink-pigmented facultative methylotroph（PPFM）ともMethylobacterium 属細菌が，広く植物葉面に優先化称される．多くの PPFM が植物より単離されてきたして棲息し，植物と相利共生関係にあることが明らが，PPFM の種レベルでその宿主特異性について検かになりつつある．また，二大温室効果ガスである討されたことはなかった．我々は，その環境がほぼメタンと CO2 間の炭素循環はメタンサイクルと呼同等と考えられる約 100 m2 の家庭菜園内で育てたばれ，メタン酸化菌とともにメタノール資化性細菌

各種の蔬菜から PPFM を単離し，LC-MS/MS を用いも重要な役割を果たしている．ここでは，て同定，分類したところ，単離数と定着能に関し，Methylobacterium 属細菌の植物における優先的定着蔬菜によって PPFM の種特異性が認められた 1）．特と垂直伝搬，ならびに本細菌のフィールド散布によに ア カ シ ソ か ら 単 離 し た Methylobacterium

る酒造好適米の増収，という 2 つの生理現象の発見

fujisawaense の最近縁種 Methylobacterium sp. OR01

を，“帰納”や“演繹”のアプローチではなく，“創株のアカシソにおける定着能と優先性が高いこと発”と捉えた農・生命科学研究から，SDGs についを見いだした 1,3）．
Methylobacterium extorquense AM1 株は，最初のメて再考したい．
2．葉面 C1 微生物の普遍的な棲息と次世代植物宿主への垂直伝搬
地上における植物の葉片面の推定総面積は 5.1×108 km2 で，ほぼ地球の総表面積 5.1×108 km2 に相当，タノール資化性細菌として報告されて以来，C1 代謝・遺伝子の研究材料として用いられ，シロイヌナ
ズナ Arabidopsis thaliana にも定着する．OR01 株とAM1 株の，それぞれに異なる抗生物質耐性（OR01株カナマイシン耐性；AM1 株テトラシクリン耐性）

総陸地面積 1.47×108 km²の 3 倍以上にも相当し，葉を付与した後，滅菌したアカシソ種子を両菌の懸濁両面を合わせるとその 2 倍に達する．葉面に液に加え 4h 放置，続いて種子を Hogland 寒天培地

106-107/cm2 の細菌が棲息すると仮定するとその細で約 2 週間シソを栽培して葉を採取，適切な抗生物26〜1027，その 40%が Methylobacterium 属質を含むメタノール平板培地に塗布して，両株の葉や Sphingonomas 属などの α プロテオバクテリアで面への定着能を調べたところ，両株ともシソ葉に効ある．

率よく定着した．次に，両株 1：1 の菌体懸濁液に

胞数は 10

我々は植物を単離源として，多くのメタノールや*京都大学農学研究科

応用生命科学専攻（Yasuyoshi Sakai）

シソ種子を曝露して上と同様に栽培して葉への定0369-5247/20/\500/1 論文/JCOPY

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着を調べる競合実験を行うと，シソ葉上からはカナマイシン耐性をもつ OR01 株のみが見られ，テトラシクリン耐性を示す AM1 株は検出できなかった．
このように AM1 株，OR01 株ともに，アカシソの生長とともに種子から植物地上部の葉面に達して定着する能力をもち，PPFM 種間での競合は，各 PPFM種の優先化と定着に大きく影響することがわかった 3）．
OR01 株も含め，様々な植物試料から分離した
PPFM についてビタミン B 群要求性を調べたところ，

図 1 シソ種子から葉上（表・裏）に定着した Methylobacterium
OR01 GFP-発現株（左：実写像，右：蛍光像）

植物表層に棲息している PPFM の多くがパントテン酸要求性であることを見出した 4）．パントテン酸はパント酸と β-アラニンとの縮合反応によって生合成されるが OR01 株は β-アラニンを生合成できず，β-アラニンもしくはその前駆体により生育が回復がわかりつつある（図 1；未発表）．
3．植物葉上環境におけるメタノールの日周変動と微生物の環境適応した．A. thaliana 葉のパントテン酸前駆体の存在量

メタノール資化性微生物は，メタノールを単一のを測定したところ，パントテン酸前駆体の中では β-炭素源とした集積培養を行うことにより容易に単アラニンが最も多く存在したことから，パントテン離できる．長年，植物細胞壁ペクチンのメチルエス酸要求性株 PPFM は，主に葉面の β-アラニンを利用テル基が加水分解して生成するメタノールが自然して棲息すると考えられる

4）．

界におけるメタノールの主な発生源であり，炭素循シソの場合と同様にパントテン酸要求性 OR01 株

環において，メタノール資化性微生物は，（死んだと非要求性 AM1 株の両株を A. thaliana 種子に混合植物）バイオマスの分解者としての役割が主である

接種し競合実験を行ったところ，パントテン酸およと考えられてきた．

びその前駆体を含まない培地で 2 週間栽培した A.

一方，生きた植物上に PPFM が棲息し，その宿主

thaliana 葉においても OR01 株の優先的な定着が確との相互作用について研究が進展したのは今世紀認できた．このようにパントテン酸要求性 PPFM がになってからで，ようやくメタノール資化性微生物葉面で優占化する理由として，パントテン酸要求性が，葉上でメタノールを炭素源として棲息している株である PPFM はパントテン酸合成前駆体を植物ことが明らかとなった．我々は細菌のみならず，メから獲得することでパントテン酸生合成に必要なタノール資化性酵母も，A. thaliana 葉上でメタノーエネルギーコストを節約し，環境適応能を向上させルを主な炭素源として 7-10 日で 3-4 回の細胞分裂にていると考えられる．葉面で棲息するパントテン酸より増殖することを見いだしている 7）．

要求性 PPFM は，パントテン酸生合成に必要な化合通常の方法で，植物葉など，固体表面におけるメ物を植物葉面から獲得しており，ヒトと腸内細菌のタノール濃度を直接，計測することは難しい．我々関係と同様，宿主がもたらす栄養環境とそこに棲息は，メタノール資化性酵母のメタノール誘導性プロする葉面微生物生理の密接な関係は，これらの共進モーターの支配下に蛍光タンパク質を発現させる化にも大きな影響を与えてきたと考えられる

4）．

ことで，細胞近傍の局所的メタノール濃度を可視化

我々の結果は，「PPFM は宿主特異性よりは，地できるメタノールセンサー酵母細胞を構築した 7,8）．

理的影響，環境因子の影響が強く受ける水平伝搬にこのメタノールセンサー細胞を，A. thaliana 葉上により植物に広く定着 する」とする Vorholt らの報告

スポットし，4 h 後の蛍光強度を，蛍光顕微鏡より5,6）と相反するものである．現在，GFPを発現する取得した画像デジタルデーターの統計解析により，OR01 株を用いた解析により，種子から葉面，さら葉上メタノール濃度を推定することができる．A.に花，種子へと OR01 株が定着，植物の世代を超え

thaliana は，16 h 明期，8 h 暗期のサイクルで人工気て垂直伝搬により次世代植物にも継承されること象器内で栽培した．興味深いことに，生長中の若い阪井：メタノール資化性葉面共生菌による“C1 炭素固定”と農学への展開

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葉のメタノール濃度は，昼夜で大きく日周変動し，KaiC1 および KaiC2 タンパク質の細胞レベルでの生

夜間にメタノール濃度は約 30 mM と高く，朝方か理機能を解析した結果，環境温度により KaiC1 タン

ら昼にかけては殆ど検出できないレベルまで低くパク質のリン酸化と発現量が調節されており，生育なった 7）．このような，葉上におけるメタノール変温度に依存して UV 抵抗性を制御していた 9）．

動について植物における生理学的意義は不明である．植物細胞壁の構成成分であるペクチンは多くのメチルエステル基を持ち，ペクチンメチルエステ

4．生長調整剤としての PPFM 葉面散布による酒造好適米の収量増加ラーゼ（PME）により加水分解されるとカルボキシ日本酒輸出量の急激な増加により酒造好適米の2+の保持と細胞壁の堅さに関係すると基が生じ，Ca需要が増しているが，酒造好適米は栽培が難しいた言われている．植物表層メタノールの変動は植物め生産農家が減少し，2010 年代に入り供給不足であPME による細胞壁ペクチンのメチルエステル化度る．各都道府県においても減反政策の早期解除など，合いの調節を反映しているのかもしれない．森林圏

酒造好適米生産量の増産が推奨されている．我々はの大気中のメタノール濃度を計測すると，我々の結様々な植物試料から 100 株以上の PPFM を単離し，果とは逆に，昼間に大気中濃度が高く，夜間は低い．

イネを中心にその生長に関して影響を与える PPFM

細胞センサーによって計測しているのは“葉表面”の単離・同定を実験室・温室レベルの実験で進めてで，大気化学では“大気中”メタノールである．夜間，きた．同時にイネ品種についても PPFM による影響

葉の気孔は閉じ，明期は開く．植物表層メタノールを受けやすいものをスクリーニングした結果，宿主は，夜は植物葉の内部に閉じ込められ，葉面表層濃として酒造好適米品種のいくつかがその候補に挙

度は高くなるが，朝は気孔が開いてメタノールが放がった．2013 年から酒造企業と共同で契約農家（兵出される．細胞センサーにより得られた結果と大気庫県多可町）でのフィールド試験を開始し，その散化学からの結果との齟齬は，このことが原因かもし布法や散布時期などについて検討，現在では単離した PPFM 株に最適な基本技術を確立して，過去 4 年れない．
メタノール資化性酵母と同様，PPFM はメタノー間にわたり 10-20%の増収に成功している．さらにルに応答した誘導性遺伝子発現を示す．植物地上部

本酒造好適米を用いた発酵試験も行い，醸造した日に生存するメタノール資化性微生物にとって，昼夜本酒の品質に問題がないことも確認した．本年度，繰り返されるメタノール濃度の変動，それに適応す

さらに試験面積と酒造好適米品種を拡大した

る“メタノール誘導性”は，葉上という栄養源が限らフィールド試験が進行中である．

れた環境において，共進化により生み出された生存戦略であると考えられる．メタノール資化性微生物が，メタノール濃度に応じて遺伝子発現することは

5．農に関わる生命現象は“創発”の宝庫：SGDs を超えた視点からのアプローチ

古くより知られていたが，「植物葉上のメタノール農に関わる生命科学研究は，コンピューターや自の日周変動に適応するためである」というメタノー

動車・機械など，人造物を相手にする工学研究とはル資化性微生物にとっての生理的意義が，今回，初異なる研究のアプローチが必要ではないだろうか．

めて明らかとなった

7）．

例えば，生化学による解糖系代謝の解明は，発酵と植物地下部とは異なり，葉上に棲息する PPFM は，いう酵母の生理現象を出発点とし，分子レベルにまメタノール濃度のみならず，光・温度など，日周性で解剖して素反応を解明するという“演繹”と，各酵環境要因の影響を強く受ける．シアノバクテリアで素反応の試験管内再構成という“帰納”による実証

概日性遺伝子として知られている kaiC のホモログの 2 つのアプローチにより進展した．分子生物学のをコードする遺伝子 kaiC1 および kaiC2 を M.

台頭以降，近年では合成生物学など，分子という部

extorquense AM1 株 ゲ ノ ム に 見 い だ し た9 ）．

品の組み立てによる帰納的なアプローチが脚光をkaiC1/kaiC2 二重遺伝子破壊株の A. thaliana 葉上へ浴び，演繹的アプローチは減少傾向にある．またの定着率が野生株よりも減少しており，これら kaiC

“Sustainable Development Goals（SDGs）”はその名のホモログが A. thaliana 葉面での定着に寄与していた．

通り目標が明確に設定されている．プロジェクト目

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標に向かって帰納的に設計されたシステムの構築

パスツール型研究が農・生命科学研究の目指すとこによる農・生命科学研究は，合理的な説明がしやすろではないだろうか？ここで紹介した「PPFM の植

く，多大な研究費が投入されており，帰納的アプ物葉面における棲息・定着と垂直伝搬」と「フィーローチの研究を助長している．

ルド散布による酒造好適米の増収」は，分子機構も農・生命科学研究は，DNA・タンパク質などの分含めてまったく未知のもので，小さいながらも“創子に始まる“帰納”と，農に関わる生命現象・表現型発”として捉え今後の研究を進めていくことはできを起点とする“演繹”を繰り返しながら発展してきないだろうか？

た（図 2）．“創発”は，20 世紀初頭に米国・哲学者

6．おわりにC. S. Pierce により「予測・計画・意図を超える科学にとって最も本質的な知の営み」として“帰納”と“創発”という視点から，我々の研究に関して，“演繹”に並列する概念として提唱された．例えば，SDGs 達成貢献への期待と展望，問題点について考

数学のポアンカレ予想は，彼にとっては“帰納”ある

えてみたい．

いは“演繹”に依拠するものではなく突然に降って

1）微生物-植物間相互作用とその利用わいたものであり，その後に多くの数学者が“帰納”微生物にとって，葉面を含む植物地上部は，地上と“演繹”によりその証明が試みられることになる．

部とは全く異なる環境で，光・温度・栄養源の日周「生命現象は創発の塊である」と言われるとおり，変動，植物光合成，代謝物の影響がある．このよう未だに“帰納”と“演繹”により説明できない現象がな植物葉面環境を理解し，微生物とその宿主である山積みされている．

植物について，個々の生理学研究を深め理解する必科学を，基礎研究と応用研究とに分け，基礎から要がある．このような生物間相互作用研究を，農業応用に向けた研究展開と方向性が一般的である．こ

上有効な微生物と，多様な作物を対象にすることで，れは（工学である）核兵器開発の後の科学政策につ新たな微生物生長調整剤の開発，育種・栽培法が生いて第二次世界大戦中，V. Bush（MIT 副学長）が当み出される可能性が高い．植物葉面菌を他の生長調時の米国大統領 F. Roosevelt に提言したことに始ま節剤ともに，上空からドローンやヘリコプターによるもので，農・生命科学研究においてこれに捕らわり散布する方法は，その作用点も植物地上部であり，れることは危険であろう．（ボーア型）基礎科学研

作物が育ち土壌に調製剤が到達しにくくなった状

究と（エジソン型）応用科学研究は，1 次元のベク況でも可能で，散布量や時期が，容易に制御できるトル上にあるのではなく，むしろこれらを座標軸で新しい手段である．対象とする作物から採取した微表したとき，X 軸と Y 軸の両値の高いところにある生物の死菌体を利用すれば，環境への影響も最小限

図 2 農・生命科学における“創発”から SDGs の解決策を考える阪井：メタノール資化性葉面共生菌による“C1 炭素固定”と農学への展開に留めることもできるであろう．

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葉面など，メタンとメタノールが共存する環境でトマトやレタスは，グリーンハウスや植物工場には，メタノールは，メタン資化性菌のメタン酸化酵おける試験が可能なため，生長促進に関する多くの素を阻害する．植物表層では，メタノール資化性細研究があるが，穀物の収量増加，あるいはそのメカ菌がメタノールを消費することにより初めてメタニズムに関する研究については，長い実験期間が必

ン資化性細菌はメタン酸化を行うことができるの要なため基礎・応用研究ともに進めることが難しい．

で，メタン削減にはメタノール資化性菌も重要な役

特に，「饑餓をゼロに」にするための食糧増産につ割を担っている．メタン削減のためメタン資化性細いては，今後の粘り強い研究と実施農家の理解，菌を散布するのであればメタノール資化性菌の併フィールド試験に関する人員と資金の確保と長期用が必要である．

間の研究継続が必要である．
2）植物-微生物共生系による新しい炭素循環サイク

メタノールは天然ガスの主成分であるメタンから生産されて比較的安価な微生物炭素源である．

ルと炭素・エネルギー資源問題

BT 剤など，微生物製剤を産業化する場合，微生物葉面におけるメタノール資化性菌の棲息は，バイの培養・生産コストが高い障壁となる．PPFM は，オマスである植物から大量に大気中に放出されて1970 年代 single cell protein 生産が工業スケールで検いるメタノールの一部を，微生物が炭素源として捕討され，メタノールを単一の炭素資源とした高密度捉して利用する（C1 炭素固定）．メタノール資化性培養ならびに連続培養が可能で，産業微生物の中で菌による C1 炭素固定は，CO2 よりエネルギーレベも突出した菌体生産性（220 g dry cell weight/liter）

ルの高いホルムアルデヒドが固定されるため，光合を示す．PPFM 生長調整剤の生産を天然ガス由来の成とは異なりエネルギーは不要である．

メタノールを原料として行うことで，従来，光エネ

従来，メタン酸化菌，メタノール資化性菌などのルギーに頼っていた CO2 固定に加え，バイオマスへ

C1 微生物により駆動されている 2 大温室効果ガス

C1 炭素固定することにより，天然ガスであるメタ間のメタンサイクルとグローバルな CO2 循環サイン由来の炭素原子をバイオマスとして保留するとクルとは互いに独立して考えられてきた．メタノー

ともに，穀物の収量増加による CO2 削減にも寄与し，ルやメタンの植物表層からの放出と植物表層にお全く新しい形でのバイオマス炭素資源の確保と貯ける C1 微生物の普遍的な棲息は，メタンサイクル蔵が可能となる．天然ガスは，主にその燃焼によりとグローバルな CO2 循環サイクルが共役しているエネルギー資源として利用されてきたが，このようことを示している（図 3）．

な“メタノール・バイオエコノミー”の確立による天図 3 CO2 循環サイクルと共役するメタンサイクル

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然ガス資源のバイオマス化は，食糧生産性の向上，創性の高い独自の農・生命科学研究をまずは進める

温室効果ガスの削減にもつながるであろう．

ことが肝要ではないかと，改めて感じている．

今回，“SDGs を超える”という趣旨での講演依頼を機に，どのようにこの問題を私自身が捉えていくか，再考する機会を得ることができた．私の研究嗜好もあるが，最初からゴールとして SDGs を目指すという論理性・合理性の高い研究を進めるより，まずは自分自身による “発見”についてアカデミアの立場で研究を進めることを第一とし，研究がある程度進んでから基礎・応用の区別なく，その時に何ができるか，さらに自分達にしかできない独創的な研究，その時になさねばならない研究を優先してきたつもりである．
アカデミアでは SDGs には目を配り，大いに参考にはするが，過剰にとらわれすぎず，独

参考・引用文献
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