植物と根圏微生物の共生系における放射性セシウムの挙動

内容1.

植物と根圏微生物

1.

根圏微生物の産生するシデロフォアと放射性セシウムの溶脱

2.

植物と根圏微生物の共生系における放射性セシウムの挙動

1.

植物と根圏微生物

根圏：植物根の影響を受ける範囲
根の内部および根から数mm-10 mmの範囲

内部根圏

外部根圏

根から植物種特有の化学成分が滲出

The Rhizosphere (2001)

根圏微生物：根圏で生育する微生物
糸状菌、 細菌、放線菌など

1.

植物と根圏微生物

高等植物の根から滲出が確認された化合物
Class of compounds
Single components
Many kinds of chemicals
are released from plant roots
SugarsAmino acids and amides

arabinose, glucose, fructose, galactose,maltose, raffinose,
rhamnose, ribose, sucrose, xylose

微生物にとって栄養源
all 20 proteinogenic amino acids, aminobutyric acid,homoserine, etc.

Organic acids

formic, acetic, malic, citric, fumaric, malonic, succinic, tartaric,etc.

Phenolics

p-hydroxybenzoic, caffeic, p-coumaric, ferulic, gallic, salicylic,etc.

Other phenolics

微生物にとって抗菌物質や誘因物質
fravonols, flavones, flavanones, anthocyanins, isoflavonoids

Fatty acids and sterols

Linoleic, linolenic, oleic etc. campestrol, cholesterol etc.

Enzymes

Amylase, invertase,ribonuclease, acid phosphatase, protease,
peroxidase etc.

OthersVitamins, plant growth regulators (auxins, cytokinins,gibberellins), ethanol, H+, K+, nitrate etc.

The Rhizosphere (2001)

根から滲出される化合物に影響を受けるため、根圏に生息する微生物は根圏は微生物にとって、栄養源を得られる生育にとって良好な場である。一方で、抗菌物質や誘因物質のように、微生物の生残に影響を与える化合物も存在する。
土壌微生物とは異なり特殊な種類相が形成される

2. 根圏微生物の産生するシデロフォアと放射性セシウムの溶脱

シデロフォア（Siderophore：鉄を運ぶもの）
金属元素とキレート結合をする化合物の総称。土壌からの金属の溶脱に関与し、植物における元素吸収機構に関与する。
植物が産生するシデロフォア
Phytosiderohore

微生物が産生するシデロフォア
Microbial siderophore

カルボン酸
アミノ酸
フェノール性カルボン酸
根圏微生物

Fe2O3

Fe2+の吸収根Fe-siderophore
Fe3+ reductase
Larcher (2004)

カルボン酸の処理による汚染土壌から137Csの溶脱カルボン酸や細菌培養液の処理による粘土鉱物イライトからCs及びAlの溶脱

Chiang et al. (2011)
Wendling et al. (2005)

2. 根圏微生物の産生するシデロフォア•イライト層の分離•Edgeの剥離•粒子の凝集Wendling et al. (2005)

Chiang et al. (2011)による、有機酸による137Csの溶脱メカニズム
カルボン酸由来のプロトンが粘土鉱物のFe-OやAl-O結合を弱め、さらに有機酸のリガンド部分が粘土鉱物のFeやAlとキレートすることで、結果的に137Csの溶脱を促進する

3. 植物と根圏微生物の共生系における放射性セシウムの挙動
Root endophytic bacteria of a 137Cs and Mn accumulator plant, Eleutherococcus sciadophylloides,
increase these desorption in the soil
Journal of Environmental Radioactivity 153 (2016) 112-119•日本固有の落葉樹であり 137CsやMnを高蓄積することが報告されている (Memon and Yatazawa, 1982 and 1984; Kiyono andAkama, 2013)。
•重金属濃度が高い土壌で自生する植物の内生微生物が、シデロフォアを産生することで、金属の土壌からの溶脱を促進し、植物における金属吸収を増加させる (Nagata et al., 2014).

コシアブラ→特殊な化学的機能を有する内生微生物が生息している可能性が考えられる。

137Cs蓄積する植物の根に生息する内生微生物を分離し137Csを土壌から溶脱する能力があるかどうか解析するコシアブラの葉、根及び根圏土壌における137Cs濃度

137Cs concentration(Bq/g)

Ratio of leaf or root content
to rhizosphere soil content

Leaves3.91 ± 1.43

1.15

Roots

1.49 ± 0.56

0.44

Rhizosphere soil

3.40 ± 1.31

放射性Cs濃度の高いコシアブラの根から内生微生物を分離し分離菌株のシデロフォア産生能の解析を行った。

内生細菌の分離
70% EtOH 1 min
15% H2O2 15 min
70% EtOH 1 min
1193の根の切片
1% NBA及び1% TSAで20日間培養

463菌株の細菌が分離された

107菌株(23%)が FeやAlと錯体形成するシデロフォアを産生
特に活性が高かった8菌株の結果 Values are means ± SE (n = 3).

高シデロフォア産生能を示した細菌産生物を用いた
137Cs, Fe, Al及びMn溶脱試験

細菌の培養ろ液

20 mL

Germanium detector

137Cs

Filtrate

pH 測定

150 rpmで 24時間震盪

ICP-OES
高濃度の放射性Csを含む有機物分解土壌

Fe, Al, Mn

細菌産生物を用いた137Cs, Fe, Al及びMn溶脱試験
Feの溶脱10.80.60.24concentration (Bq/g)

6.87
c0.40

137Cs

4.92
d4.94
d

Al concentration (mg/kg)

1.2

7pH6.70
6.41
a2b6.86
a5ff6ee432bc

1cabaa0•４菌株(n142,n164,Mnの溶脱とpH
n142 n164 n585 n1101 n3172
t114 t142 t354 RSM
n142
n164 n585 n1101 n3172
t114n1101,
t142 t354and
RSM t142)が、高いFe、Al、低下を示した。
137Csの溶脱
Mnの溶脱
0.6
137Csの溶脱が確認された。
ee•全ての菌株において、dedecd36.74
a0.5cbb

Mn concentration (mg/kg)

Fe concentration (mg/kg)

1.4

Alの溶脱

4.90e4.91eed0.4ba0.3

c0.2
0.1

1abba00n142 n164 n585 n1101 n3172 t114 t142 t354 RSM

one-factor ANOVA followed by Scheffé’s post hoc test (P<0.05). ±SE.

溶脱したFe, Al, 137Cs, Mn, 及びpH の相関関係（Spearman’s rank correlation test）* P<0.05, ** P<0.01

6(a)

54

Al (r=0.762*)

3Fe (r=0.714*)

2

Fe or Al concentration(mg/kg)Fe or Al concentration(mg/kg)

6(b)5Al (r=0.905*)

43Fe (r=0.762*)

211137• Csの溶脱は、FeやAlの溶脱と共に確認された。pH低下はAlの溶脱(c)(d)

4Mn (r=0.881**)32Fe (r= -0.667)

10

r=-0.690, P=0.058

3(Bq/g)Al (r=-0.833*)

5137Cs concentration

Fe or Al or Mn concentration(mg/kg)00137には重要な要因と考えられたが、FeやCsの溶脱には影響が低いと0123400.2
0.4
0.6
137Cs concentration (Bq/g)
Mn concentration (mg/kg)
考えられた。
• Mnの溶脱は、FeやAlの溶脱、pH低下と共に確認された。
64210456pH78456pH78細菌の代謝産物に含まれる有機酸のGC-MS分析

細菌の培養液formic acid ion–formed dried in vacuo at 40°C, trimethylsilylated
Toyopak-DEAE column** followed by freeze-drying
using MSTFA

GC-MSeluted using
6 M formic acid**Formic acid ion–formed DEAE can adsorb weakly acidic compounds fromwater.

細菌が産生する有機酸

Succinic acidn.d., common organic acids were not detected in our analysis, but several peaks were found.
These strains might produce species-specific siderophores.

3. 植物と根圏微生物の共生系における放射性セシウムの挙動

コシアブラ

地上部への移行内生細菌
栄養及び生息環境の提供•シデロフォアの産生•生物利用性が高い137Cs や Mn の増加•137Cs及びMnを蓄積するコシアブラから分離された内生137Cs及びMn の吸収細菌は、FeやAlをキレートするシデロフォアを産生することで、土壌から 137CsやMnを溶脱することが明らかとなった。以上の結果より、本植物における137Cs及びMn吸収に内生細菌が寄与する可能性が示唆された。