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助成番号 １４３２１８
研 究 成 果 報 告 書（国立情報学研究所の民間助成研究成果概要データベース・登録原稿）
研究テーマ（和文） ＡＢ

田畑輪換圃場における土壌中のメタン生成古細菌群の生態解明

研究テーマ（欧文） ＡＺ

Dynamics of methanogenic archaeal community in paddy field soil under paddy-uplandrotation

研究氏
代表名
者

ｶﾀｶﾅ ＣＣ姓） アサカワ

漢字 ＣＢ
ﾛｰﾏ字 ＣＺ

研究代表者 ＣＤ
所属機関・職名名） ススム

研究期間 Ｂ

２０１４ ～ ２０１５ 年

浅 川晋

報告年度 ＹR

２０１５ 年AsakawaSusumu

研究機関名

名古屋大学

名古屋大学大学院生命農学研究科・教授

概要 ＥＡ (600 字～800 字程度にまとめてください。)
田畑輪換圃場におけるメタン生成古細菌群の動態を解析し、それらの動態に影響を及ぼす要因を分離株のゲノム情報を活用して菌の生理や土壌環境因子との関連で解析することにより、水田土壌中での安定性維持や変動に関わるメカニズムの解明を目指した。
１．田畑輪換圃場におけるメタン生成古細菌の動態解析
湛水下の水稲作と落水畑条件下のダイズ作を様々な間隔で行っている田畑輪換圃場において、土壌中に存在するメタン生成古細菌の群集構造を 16S rRNA 遺伝子および mcrA 遺伝子を対象として解析した。輪換区では対照の水稲連作区に比べメタン生成古細菌の存在量は約１桁低く、メタン生成古細菌の群集構成が異なった。特に Methanosarcinales に属する菌群は輪換により極めて大きな影響を受け存在比率が減少した。
以上より、田畑輪換における１年以上の畑転換はメタン生成古細菌の群集構造に影響を及ぼし、一部の菌群には重大な影響を与えることが明らかとなった。
さらに、活性を有するメタン生成古細菌群集の動態を、16S rRNA 遺伝子と mcrA 遺伝子およびそれらの転写産物を対象として解析した。輪換区では水田作あるいは畑作に伴う土壌条件の違いに対応して活性を有するメタン生成古細菌の存在量は変動し、１年以上の畑転換により mcrA 遺伝子の転写産物量が 1/100 から 1/1,000 程度に大きく減少した。そのような条件下では土壌固有のメタン生成古細菌群集が極めて低い転写活性を持ち、生残していた。以上より、田畑輪換における１年以上の畑転換は活性を有するメタン生成古細菌の存在量に特に大きな影響を及ぼすことが明らかとなった。
２．メタン生成古細菌の動態に影響を及ぼす要因の解析-酸化ストレスに対する防御機構１）抗酸化酵素遺伝子の発現
ゲノム配列のドラフト解析が行なわれている水田からの分離株（ Methanobrevibacter arboriphilus SA 株 、Methanoculleus chikugoensis MG62 株、 Methanosarcina mazei TMA 株）について、代表的な抗酸化酵素であるカタラーゼとスーパーオキシドジスムターゼ、また、メタン生成古細菌に特有な酵素の F420H2 oxidaseをコードする遺伝子（それぞれ、kat、sod、fprA）を探索した。M. arboriphilus SA 株は kat を 1 つと fprA
を 2 つ、 M. chikugoensis MG62 株は sod を 2 つ、 M. mazei TMA 株は kat を 2 つと sod を 1 つ保有していた。
さらに、それぞれの菌株を培養し mRNA の解析を行ったところ、いずれの遺伝子の転写産物も確認され、これらの抗酸化酵素が発現されていることが示唆された。水田から分離されたメタン生成古細菌が多様な抗酸化酵素遺伝子を有し、さらにそれらの遺伝子が転写されていることを初めて明らかにした。
２）バイオシリカ形成
上記の水田から分離された３菌株をケイ酸含有培地で培養し、バイオシリカ形成能を調査した。M. mazei
TMA 株では細胞周囲にケイ素を含む析出物が付着することが確認され、バイオシリカ形成能を有すると考えられた。メタン生成古細菌がバイオシリカ形成能を持つ可能性を示した初めての例である。
以上の結果は、メタン生成古細菌が抗酸化酵素やバイオシリカ形成能を、田畑輪換により生じる酸化ストレスに対する防御に部分的に利用している可能性を示唆していると考えられた。
キーワード ＦＡ

メタン生成古細菌

田畑輪換群集動態（以下は記入しないでください。）
助成財団ｺｰﾄﾞ ＴＡ

研究課題番号 ＡＡ

研究機関番号 ＡＣ

シート番号- 1 -酸化ストレス発表文献（この研究を発表した雑誌・図書について記入してください。）
論文標題ＧＢ

Effect of paddy-upland rotation on methanogenic archaeal community structure in paddy
field soil

著者名 ＧＡ

Liu D. et al.

雑誌名 ＧＣMicrobial Ecology

ページ ＧＦ

160～168

発行年 ＧＥ

2

雑誌

01

5

巻号 ＧＤ

69

論文標題ＧＢ
雑誌

著者名 ＧＡ
ページ ＧＦ

雑誌名 ＧＣ～発行年 ＧＥ

巻号 ＧＤ

論文標題ＧＢ
雑誌

著者名 ＧＡ
ページ ＧＦ

雑誌名 ＧＣ～発行年 ＧＥ

巻号 ＧＤ

発行年 ＨＤ

総ﾍﾟｰｼﾞ ＨＥ

発行年 ＨＤ

総ﾍﾟｰｼﾞ ＨＥ

著者名 ＨＡ
図書

書名 ＨＣ
出版者 ＨＢ著者名 ＨＡ

図書

書名 ＨＣ
出版者 ＨＢ

欧文概要 ＥＺ
Dynamics of methanogenic archaeal community composition and abundance in paddy-upland rotational
fields and factors influencing the dynamics in relation to cell physiology and soil conditions wereinvestigated to reveal mechanisms of the variability and stability of the community structure.
Based on the analyses of 16S rRNA and mcrA genes, the abundance of methanogenic archaeal community
existed in soil decreased to about one-tenth in the rotational plot than in the consecutive paddy(control) plot and some members belonging to the Methanosarcinales were strongly affected. Dynamics
of active memebers of methanogenic archaeal community was investigated targeting 16S rRNA gene, mcrA
gene and their transcripts. The abundance of mcrA transcripts was greatly decreased in the rotationalplots after upland conversion longer than one year and autochthonous groups of methanogenic archaea
seemed to survive and kept very low transcriptional activities under the upland conditions in therotational field. The results showed that the composition and abundance of active members of methanogenic
archaea were greatly affected by the upland conversion longer than one year in the rotational field.
Genes encoding antioxidant enzymes, catalase, superoxide dismutase and F420H2 oxidase, were surveyed
in genomes of methanogenic archaeal isolates from paddy field soil, Methanobrevibacter arboriphilusSA, Methanoculleus chikugoensis MG62 and Methanosarcina mazei TMA, whose draft genome sequences havebeen already determined. All of the isolates possessed at least one of the genes for the enzymes
and the genes were transcribed in the cells collected from cultures of the strains, indicating
expression of the antioxidant enzymes in the methaogenic archaeal strains. M. mazei TMA exhibitedan ability of bio-silicification in the culture medium supplemented with silicate. These results
indicated a possibility that methanogenic archaea could utilize the functions of antioxidant enzymes
and bio-silica in part to defend oxidative stresses caused by oxic soil conditions such as uplandconversion of paddy fields.

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