アーキア界に広がるメチル化合物利用性
メタン生成アーキアの分離とその進化・生態〇春田伸1、飯野隆夫1,2
1, 東京都立大学・理・生命、2, 理研・バイオリソースセンター
Summary
Thermoplasmata 綱メタン生成アーキアはメチル化合物利用性の新しいメタン菌グループである。本研究では、高温環境に注目し、Thermoplasmataメタン菌の生態、多様性および代謝生理を明らかにすることを目的とした。
高温嫌気消化汚泥から取得したThermoplasmata メタン菌についてゲノム情報を取得し解析したところ、そのゲノムサイスは 1.1Mb と既報の Thermoplasmata メタン菌のなかでも最小であり、いくつかの代謝経路に欠失があると考えられた。また日本各地の陸上温泉から温泉水が噴出する高温土壌を採取し、 16S rRNA 遺伝子、メタン生成の鍵酵素遺伝子 mcrA 、メチル化合物代謝を担う酵素遺伝子mtaBCを対象とするPCRアンプリコン解析を行った
結果、弱アルカリ性の高温土壌から広くThermoplasmataメタン菌が検出された。宮城県鬼首温泉郷からは、新属新種を含む複数系統のThermoplasmataメタン菌の存在が示唆された。メタノールを炭素源としてこれらメチル化合物利用性メタン菌の分離を試みたところ、新規好熱性Thermoplasmataメタン菌の培養に成功した。

Background
メタン生成アーキアは、水素・二酸化炭素、酢酸やメチル化合物を炭素源、エネルギー源としてメタン生成することが知られる。多くのメタン生成アーキアが水素・二酸化炭素、酢酸を利用できるのに対して、2012年に報告されたThermoplasmata
綱の新しいメタン菌グループはメチル化合物（メタノール、メチルアミン類など）しか利用できないと考えられている。Thermoplasmata綱メタン菌は、動物腸内や嫌気消化汚泥から見つかっているが（Paul et al. 2012, Iino et al. 2013）、純粋分離に成功した例はヒト糞便からの一例 Methanomassiliicoccus
luminyensis B10（Dridi et al. 2012）のみであり、その生態や多様性、代謝生理については充分に分かっていない。

ClassOrder

MethanobacteriaMethanobacteriales

Balch and Wolfe 1981

Methanococci

Methanococcales

Balch and Wolfe 1981

“Methanomicrobia”

Methanomicrobiales

Balch and Wolfe 1981

“Methanomicrobia”

Methanosarcinales

Boone et al. 2002

Methanopyri

Methanopyrales

Huber and Stetter 2002

“Methanomicrobia”

Methanocellales

Sakai et al. 2008

(Thermoplasmata)

Methanomassiliicoccales

Iino et al. 2013

Paul et al. Appl. Environ. Microbiol. 78: 8245–8253 (2012)
Iino et al. Microbes Environ. 28:244–250 (2013)
Dridi et al. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 62:1902-1907 (2012)

高温環境におけるThermoplasmataメタン菌の生態，多様性および代謝生理 陸上温泉を対象にしたPCRアンプリコン解析
およびメタン菌の集積培養

 高温嫌気消化汚泥由来培養株のゲノム解析

・供試試料 鬼首温泉（宮城県）熱水噴出土壌（50℃～90℃）

・被験菌 Ca. Methanogranum caenicola Kjm51a (Iino et al. 2013)

・アンプリコン解析 16S rRNA遺伝子（アーキア）、メタン生成の鍵酵素

・DNBSEQ-G400（MGI社）、GridION XS（Oxford Nanopore社）

遺伝子mcrA、メチル化合物代謝を担う酵素遺伝子mtaBC
MiSeq（Illumina）によるペアエンド法で得たデータをQIIMEで解析。

Comparison of the genome features of Ca. Methanogranum caenicola and最尤法で系統樹作成。

other Thermoplasmata methanogens

・培養条件 主要炭素源: メタノール、気相: N2:H2:CO2。培養温度: 50℃から90℃。
分離源

温泉クローン

Archaeal16S rRNA gene

50℃集積培養（嫌気消化汚泥）

50℃集積培養（温泉）温泉クローンCa.
Methanogranum
caenicola

Methanomassiliicoccus
luminyensis*

Ca.
Methanomassiliicoccus intestinalis*Ca.
Methanoplasma
termitum*Ca.
Methanomethylophilus
alvus*

高温消化汚泥ヒト糞便

ヒト糞便

シロアリ腸内ゲノムサイズ（Mbp）

1.1>2.6

1.9

1.5

ヒト糞便
1.7

G+C含量（ mol%）

62.2

60.5

41.3

49.2

55.6

タンパク質コード遺伝子数

1,158

2,625

1,826

1,415

1,653

rRNA遺伝子数

4443

4

tRNAs遺伝子数

4348

464648*Lang et al. Appl. Environ. Microbiol. 81: 1338-1352 (2015)

Genome of Ca. Methanogranum caenicola
1,130,161 bp

37℃集積培養（嫌気消化汚泥）

Metabolic features of Ca. Methanogranum caenicola
Methanol
Monomethylamine
Dimethylamine

mcrA

mtamtmmcr
Methyl-S-CoM

CH4mtbmtt

mtr

CoB-SH

CoB-S-S-CoM

Trimethylamine

温泉クローン

HS-CoM

37℃集積培養（嫌気消化汚泥）

hdr

メタノールに加え、モノ-、ジ-、トリメチルアミンの利用経路がすべて見られる一方、50℃集積培養（嫌気消化汚泥）

炭酸固定経路、芳香族アミノ酸代謝経路に欠損があると考えられた温泉クローン
温泉クローン
温泉土壌から、Thermoplasmata綱と考えられる16S rRNA遺伝子、mcrA遺伝子、およびmtaBA遺伝子（data not shown）が検出された。これらは複数の系統に分かれており、既報の培養株とも異なった。
温泉土壌および嫌気消化汚泥から50℃で生育するThermoplasmataメタン菌が培養できた。

まとめと展望

これまでThermoplasmataメタン菌は主に動物腸内から見つかっていたが、本研究により、広く高温自然環境にも多様な種が分布していることが、培養法および非培養法によって明らかになった。
これらメタン菌について得られているゲノム情報はまだ少ないが、部分的な代謝経路の欠損が考えられ、他菌と強い共生関係を築いて生存している可能性がある。