月例卓話

大水深淡水湖のユニークな微生物生態系
岡﨑友輔＊

地球上には全宇宙の星の数の 100 万倍を上回る化学的性質を有するが，淡水湖の細菌群集は世界10 オーダーの細菌が生息すると推測されており共通の系統で占められることが分かってきた．例（Whitman et al., 1998），地球上で植物に次いでえ ば，Alphaproteobacteria の LD12 系 統 お よ び

多い 12.8％もの生物量を占めると見積もられていActinobacteria の acI-B1 系統は世界中の淡水湖る（Bar-On et al., 2018）．水圏においては，生物量の沖合表層の比較的貧栄養の環境で優占し，FISHの 9 割を微生物が占めると推定され（Cavicchioli法による定量で全細菌のそれぞれ 20％（Salcheret al., 2019），一次生産の最大 50％が溶存態有機

et al., 2011）および 30％（Neuenschwander et al.,

物として細菌に消費されると考えられている2018）を超える現存量が報告されている．しかし，（Carlson et al., 2011）．湖においても，栄養条件にこれらの知見は主に調査が容易な湖沼の表水層かよるものの，湖水 1 mL あたり 10 ‒10 個の細菌と，らの報告にとどまっており，水温躍層以下の無その 10 倍程度のウイルス粒子が存在する．例え

光・低温の深水層の微生物多様性に関してはほとば琵琶湖沖の水コップ 1 杯の中には，日本の人口んど研究が無く，全体像は明らかになっていない．

を超える細菌と，世界の人口に匹敵するウイルス

海洋では，表層と深層で異なる細菌系統の優占が粒子が存在する．その生き様の解明は，生態系や報告されており（Yilmaz et al., 2016），湖沼にお物質循環の基盤を理解するうえで不可欠である．

いても深水層にユニークな細菌系統群が存在する

微生物生態学において長年の障壁となっていた可能性がある．琵琶湖をはじめとする，水深 50 mのが，環境中の微生物の大多数が培養困難であるを超えるような大水深の湖においては，深水層はという事実である．例えば淡水環境では平均で全容積の過半を占め，有機物や栄養塩の貯蔵やリサ細菌の 89％が未培養系統で占められると推定さイクルの場として機能する．そこに生息する微生れている（Lloyd et al., 2018）．この障壁を打開し物の多様性や生態の解明は，湖全体の生態系や物たのが，近年の分子生物学および DNA シーケン質循環を理解するうえで重要な研究課題である．

ス解析技術の飛躍である．すなわち，Fluorescent

火山や地殻の活動が活発な日本は，構造湖・カin situ hybridization（FISH）法や 16S rRNA 遺ルデラ湖・堰き止め湖に代表される大水深の淡水伝子アンプリコンシーケンス解析といった，環境湖に恵まれている．筆者らは，琵琶湖をはじめと微生物の多様性を培養を経ることなく直接的に観する国内の大水深淡水湖の深水層の横断的調査を測する手法が確立された．これにより，環境中で行い（図 1），その微生物多様性の解明を試みて大多数を占める未培養細菌の多様性が紐解かれ，きた．これまでの研究で，淡水湖の深水層には，微生物の多様性をとりまく我々の理解は大転換を表水層とは系統的に大きく異なるユニークな細菌迎えている．

群集が生息することを明らかになってきた．その3057

こうした状況を背景に，湖沼においても微生物中でも特に Chloroﬂexi 門の CL500-11 系統は，深多様性に関する知見の蓄積が進んでいる．湖沼は，水層における最優占系統として検出された

その成因や気候，栄養条件等に応じ，多様な物理（Okazaki et al., 2013, 2017）．本系統は 2001 年に京都大学化学研究所附属バイオインフォマティクスセンター助教＊

第 374 回京都化学者クラブ例会（令和 3 年 8 月 7 日）講演

Transactions of The Research Institute ofOceanochemistry Vol. 35 No. 1, Apr., 202239

株を用いた実験的検証が望まれるが，多くの環境微生物と同様，深水層で優占する細菌系統は難培養性であり，最優占系統である CL500-11 に関しても未だ単離培養は報告されていない．近年，培養非依存的に細菌の生理・生態に迫るアプローチとして，ショットガンメタゲノム解析が微生物生態学で広く用いられるようになった．これは，ハ図 1．琵琶湖沖で採水した深水層の湖水を船上で濾過し て い る 様 子． 同 一 流 路 内 で 200 ȝm，5 ȝm，0.2 ȝm のフィルターにて順次湖水を濾過することで，複数のサイズ画分の微生物サンプルを同時に採集できる．

イスループットシーケンサーを用いて，環境中のアメリカの Crater Lake の水深 500 m より得らノム情報を構築する手法である．筆者らは本手法れた細菌の 16S rRNA 遺伝子塩基配列として初を琵琶湖沖の細菌群集から得られた DNA サンプ

め て 報 告 さ れ た も の で あ る が（Urbach et al.,

ルに用いることで，琵琶湖に生息する主要な 572001），その後の筆者らの調査により，国内のみの細菌系統の全ゲノム情報を構築した（Okazakiならず，アルプスの氷河湖やアメリカの五大湖をet al., 2019）．これらには上述した深水層特異的はじめとする，世界中の大水深淡水湖で優占するな細菌系統も含まれ，CL500-11 のゲノムの解析

こ と が 明 ら か と な っ た（Okazaki et al., 2018）．

からは他の細菌の死細胞等に由来する有機物を資CL500-11 は深水層の全細菌数の 25％以上を占め源としている可能性が示唆された．一方で，光のることもあり，その比較的大型の細胞（図 2）や，届かない深水層に生息するにも関わらず光受容に湖に占める深水層の容積の大きさも相まって，多用いられるロドプシンの遺伝子を有するなど，ゲくの大水深湖で最も生物量が多い細菌であると考ノム情報から新たに炙り出された謎もあった．現

えられている．

在，引き続き CL500-11 の単離培養株の確立に向「誰がいるのか？」が明らかになれば，次に明けた試行錯誤を行いながら，並行して環境中の微らかにすべきは「何をしているのか？」である．

生物群集の RNA の網羅的シーケンス（メタトラ

細菌の生理や生態を理解するためには，単離培養ンスクリプトーム解析）を行い，「いつ，どこで，細菌群集の DNA をまるごと網羅的にシーケンスし，ゲノムアセンブリやビニングといった生物情報学的な解析を経て，サンプル中の各細菌の全ゲどの遺伝子が，どのくらい発現しているのか？」を明らかにすることで，これらの課題へのアプローチを進めている．
ここまでは湖沼に生息する細菌に焦点を当てた．
一方で細菌はウイルス（ファージ）の感染を受けており，1 日あたり細菌の生物量の 20％程度がウイルス感染によって失われていると推定されている（Suttle, 2007）．すなわち，微生物生態系の機能を理解するためには，ウイルスの多様性や生態の理解も不可欠である．上述したメタゲノム解析はウイルスにも適用可能であり，環境中のウイル

図 2．琵琶湖深水層の細菌の蛍光顕微鏡写真．黄色いカーブ型の細胞が FISH 法で染色された CL50011 細菌．青色に染色されている他の細菌よりも細胞サイズが一回り大きい．

スのゲノムを培養非依存的に決定することが可能である．しかし大水深淡水湖において同手法を用40海洋化学研究第35巻第 1 号

令和 4 年 4 月

いてウイルスゲノム多様性を網羅的に明らかにしに関連する多様な研究課題に答えうる情報基盤のた研究は存在しなかった．そこで筆者らは細菌同構築を目指して研究に取り組んでいる．

様に，琵琶湖沖のウイルス群集を対象としたメタ環境ゲノム解析技術は，その研究対象の小ささ

ゲ ノ ム 解 析 を 実 施 し た（Okazaki et al., 2019）．

が故に技術的・手法的な制約に苦しめられてきたその結果 183 個の完全長ウイルスゲノムが得られ，微生物生態学の弱みを強みに変えた．すなわち，そのほぼ全て（179 個）が単離培養された系統と研究対象が小さいからこそ，生態系を構成する各の相同性を示さない，未培養ウイルスのゲノムで系統の全ゲノムを丸ごとデジタル情報化し，網羅あった．また細菌同様に，それに感染するウイル的・横断的な解析が可能となった．今後もシーケ

スも，表水層と深水層で群集組成が大きく異なるンスコストのさらなる低減や，ロングリードシーことが示された．ゲノム情報に基づきこれらのウケンサーをはじめとする新技術の台頭を背景に，イルスの宿主を予測したところ，Actinobacteria

環境ゲノム解析を基盤とした微生物生態学の勢いをはじめとする，淡水湖沼において優占的な系統は続くと考えられ，動植物を含む生態学・進化学に感染するウイルスの存在が明らかとなった．さ

全般をリードする研究分野としての飛躍が期待さらにこれらのウイルスゲノムの遺伝子機能解析にれる．その一方で，莫大なゲノム・遺伝子情報がより，宿主の代謝改変に資すると考えられる遺伝いとも簡単に取得できるようになったことで，「無子（補助代謝遺伝子）を有するウイルスを多数特限に存在するデータ，未知系統，未知遺伝子にど定し，特に同化的硫黄還元に関する遺伝子が海洋う向き合うか ?」が新たな課題として炙り出されと比較して多く見つかった．湖沼の優占細菌の多ている．すなわち，大規模データを活かす多様なくがこの遺伝子を欠くことが知られており，海洋視点と鋭い切り口の重要性が高まっている．こうと比較し硫黄分が少ない淡水環境ではウイルス由した状況を背景に，微生物生態学は，多様な視点来の遺伝子が宿主の硫黄代謝において重要な機能を持つ多様な分野の研究者と連携した，学際的なを果たしている可能性が示唆された．

研究アプローチを推進すべき時を迎えている．そ以上をまとめると，琵琶湖をフィールドとしたれは地球化学との連携においても例外ではない．

網羅的・培養非依存的な環境ゲノム解析によって，これまでは地球化学で得られた知見に対し，それ深水層では表水層とは異なる独自の微生物生態系に対応する微生物生態系の機能はブラックボックが駆動していることを明らかにし，その中で重要スとして理解せざるをえない点が多かったが，今な機能を担うとみられる細菌・ウイルス系統群をや微生物機能を系統や遺伝子のレベルで高解像度特定した．さらに現在，同様の解析を他の湖へとに理解することが可能である．すなわち，微生物展開し，湖横断的な比較が可能な「湖沼微生物環生態学と地球化学の間のギャップを埋め，両者を境ゲノム情報基盤」の整備を進めている．湖は互繋ぐ研究が実現可能になりつつある．筆者自身も，いに物理的に隔離されており，それぞれが独自か微生物生態学を基盤としながら，地球化学分野とつ独立した生態系を擁している．すなわち，異なの情報共有や共同研究を積極的に進め，微生物生る湖で網羅的環境ゲノム解析を行うことで，それ態学の可能性を最大限に引き出す方法を模索してぞれの湖の微生物生態系を理解できるのみならず，いきたいと考えている．

その結果を湖間比較することで，各湖を生態系のcontrol や replicate とみなし，仮説の構築や検証引用文献を効率的に行える利点がある．筆者はこうした展

Bar-On, Y.M., Phillips, R., and Milo, R. (2018). The

望のもと，湖沼微生物生態学のみならず，それをbiomass distribution on Earth. Proceedings

とりまく微生物学・生態学・進化学・ゲノミクス

of the National Academy of Sciences

Transactions of The Research Institute of
Oceanochemistry Vol. 35 No. 1, Apr., 202241,

6506‒6511.

Okazaki, Y., Salcher, M.M., Callieri, C., andCarlson, C.A., Hansell, D.A., Tamburini, C.

Nakano, S. (2018). The Broad Habitat(2011) Microbial Carbon Pump in the Ocean;Spectrum of the CL500-11 Lineage (Phylum

DOC persistence and its fate after export

Chloroﬂexi), a Dominant Bacterioplankton inwithin the ocean interior; American

Oxygenated Hypolimnia of Deep Freshwater

Association for the Advancement of Science.

Lakes. Frontiers in Microbiology , 2891.

pp. 57‒59

Okazaki, Y., Nishimura, Y., Yoshida, T., Ogata, H.,Cavicchioli, R., Ripple, W.J., Timmis, K.N., Azam,

and Nakano, S. (2019). Genome ‐ resolved

F., Bakken, L.R., Baylis, M., Behrenfeld, M.J.,

viral and cellular metagenomes revealed

Boetius, A., Boyd, P.W., Classen, A.T., et al.

potential key virus-host interactions in a(2019). Scientistsʼ warning to humanity:

deep freshwater lake. Environmental

microorganisms and climate change. Nature

Microbiology

Reviews Microbiology, 569‒586.

, 4740‒4754.

Salcher, M.M., Pernthaler, J., and Posch, T. (2011).

Lloyd, K.G., Steen, A.D., Ladau, J., Yin, J., andSeasonal bloom dynamics and ecophysiology

Crosby, L. (2018). Phylogenetically Novelof the freshwater sister clade of SAR11

Uncultured Microbial Cells Dominate Earthbacteria “that rule the waves” (LD12). The

Microbiomes. MSystems , e00055-18.

ISME Journal , 1242‒1252.

Neuenschwander, S.M., Ghai, R., Pernthaler, J.,

Suttle, C.A. (2007). Marine viruses ̶ major players

and Salcher, M.M. (2018). Microdiversiﬁcationin the global ecosystem. Nature Reviewsin genome-streamlined ubiquitous

Microbiology , 801‒812.

freshwater Actinobacteria. The ISME
JournalUrbach, E., Vergin, K.L., Young, L., Morse, A.,, 185‒198.

Larson, G.L., and Giovannoni, S.J. (2001).

Okazaki, Y., Hodoki, Y., and Nakano, S.I. (2013).

Unusual bacterioplankton community

Seasonal dominance of CL500-11

structure in ultra-oligotrophic Crater Lake.

bacterioplankton (phylum Chloroﬂexi) in theLimnology and Oceanographyoxygenated hypolimnion of Lake Biwa, Japan.
FEMS Microbiology Ecology, 557‒572.

Whitman, W.B., Coleman, D.C., and Wiebe, W.J.

, 82‒92.

(1998). Prokaryotes: The unseen majority.

Okazaki, Y., Fujinaga, S., Tanaka, A., Kohzu, A.,

Proceedings of the National Academy ofOyagi, H., and Nakano, S. (2017). UbiquitySciences, 6578‒6583.

and quantitative significance ofYilmaz, P., Yarza, P., Rapp, J.Z., and Glöckner,

bacterioplankton lineages inhabiting theF.O. (2016). Expanding the World of Marine

oxygenated hypolimnion of deep freshwater

Bacterial and Archaeal Clades. Frontiers inlakes. The ISME Journal

Microbiology , 1‒29.

, 2279‒2293.

42

海洋化学研究第35巻第 1 号

令和 4 年 4 月