生物多様性研究＝博物学
土壌の生物多様性 活性を 括計量する
土壌の生物多様性・活性を一括計量する～ＩＴ技術の活用による複雑系へのアプローチ～（独）農研機構 中央農業総合研究センタ
中央農業総合研究センター
生産支援システム研究チーム
横山和成
出展：ワークショップ 21世紀の生物多様性研究 http://www.event.nig.ac.jp/gbif/bd2006/• 博物学研究

生物多様性研究＝関係（相互作用）学関係（相互作用）学
相互作用ネットワーク– 全生物目録（データベース）構築• eDNAプロジェクト
eDNAプ ジ クト

– ゲノム研究• メタゲノムプロジェクト• 関係学研究– 統計物理学研究• ネットワークデータベース– 複雑系研究• 複雑系制御理論研究» 耕地土壌病害抑止力誘導 （農林水産省事業）

土壌の豊かさを表す３つの視点

土壌の生物性評価が可能に！

• 化学性

化学性分析によって調 ることが出来ます。
化学性分析によって調べることが出来ます。

– ｐＨ、窒素、リン酸、カリ、ミネラル、腐植など

化学性
生物性は最近まで殆ど調べることが出来ませんでした。

• 物理性– 粒状、堅さ、水はけ、水持ちなど

• 生物性

化豊かさ性
化豊さ性
物理性

私たちは、土壌の生物性を、私たちは土壌の生物性を土壌微生物の多様性と有機物分解活性で評価します
有機物分解活性で評価します。

生物性– 微生物、小動物など

物理性分析によって調べることが出来ます。
物理性分析によって調ることが出来ます。

化学・物理・生物性３つが揃って化学
物理 生物性３つが揃 て始めて豊かな土壌といえます。

大規模野菜産地における連作障害の発生

農薬がかえって病害を増やす
農薬
病害を増 す土壌消毒剤（人体に有害）

微生物が死滅した病害
激発型土壌

土壌消毒無しには耕作不能

大量の化
学肥料 農
学肥料・農薬が必要

病める現代農業の姿

多様性とは？
病害多発土壌

多様性がないと、、、多様性がないと健康な土壌

病原菌

微生物の種類が少ない

微生物の種類が多い

もししっかり土作りをすれば、似たものばかりで対応できる者がいない

農薬（薬剤）を使うと守る微生物も全滅！

種類が多ければ多いほど、病害が出にくくなる。多様性が大事。

土壌微生物の世界を覗くと？

記述分析主義の破綻• 要素数の増加は系の取りうる静的状態と動的シナリオを指数倍化する– 「風桶」のパラドックス
解析的観察数に起きる計算量爆発

１０μｍ

直径約１μmの点（矢印）が土壌懸濁液中で遺伝子DNAを持った土壌細菌 (土壌1 μg 当たり千個以上)

複雑系(Complex System)には膨大な数の相互作用の渦が存在する

number ofelement
1234567n

number ofcombination

number ofinteration

248163264
128

1464
4 096
4,096
1,048,576
1,073,741,824
4,398,046,511,104

2n2n(n-1)

帰納主義の破綻• 入力と出力の関係が非線形– 非線形相互作用と自己言及性によりカオスが発生＝土壌は複雑系– 複雑系は長期予測不可能– 結果から原因を単純に帰納不可
能– 計画制御は不可能

入力

出力Black Box

土壌微生物の世界は科学的に未踏の領域

発想の転換：全く新しい分析法にチャレンジしています• 数• 従来の科学が問題にしていた、土壌に「何の種類の微生物」が、「何個居て」、「何をしているか？」を敢えて問わない！
何を」を敢
問わ

– 土壌１グラム当たり億～兆の数存在。

• 種類– 土壌１グラム当たり千種以上、殆どが新種。

• 個々の機能– 見える数の百分の一以下しか培養出来ない。
見える数の百分の 以下しか培養出来ない。

• 群としての機能• 土壌の微生物「群集全体」が、「どれだけ土壌 微生物「群集全体 が 「どれだけ速く」、「どれだけ多様な有機物を分解できるか？」を問う！

– 組合せの数が多すぎて群として調べられない。
組合せの数が多すぎて群として調べられない

GN MicroPlate

Biolog’s Technology Platform:
Phenotyping
yp g Cellular Responsep

Patterns begin developing in as little as 4 hours

多様性をどうやって測定するのか

砂糖

でんぷん

たんぱく質

脂肪

Development of the Biolog
Microbial Identification System

アルコール

それぞれの微生物は好物が異なる。

Biolog MicroStation™

横山 1992）
ﾊﾞｲｵﾛｸﾞﾌﾟﾚ
ｲｵﾛｸ ﾌ ﾚｰﾄによる多様性評価法（ﾄによる多様性評価法（横山：1992）
コロニー法
土壌細菌を希釈平板法により単離し、各菌株の単離し 各菌株95種の炭素源利用能から多様性を評価する

距離A-B

細菌A

細菌B
ABC D
距離ABC-D

距離AB-C

多様性指数

細菌C＝クラスター総距離の2乗 / 構成者数
細菌D
5

持続的生産が可能な土壌には多様な微生物が居た

群集構成者の利用炭素源数
連作障害土壌

抑止土壌

多様様性指数数
連作障害発病度（％）
岐阜県飛騨地方のホウレンソウ連作土壌の例

それぞれの土壌微生物群集の有機物分解能を比 てみたら？
有機物分解能を比べてみたら？

連作障害激発土壌

連作障害抑止型土壌

殆どの微生物は同じ有機物分解機能をもった中心点（矢印）に集中

同じ有機物分解機能をもった微生物は殆どいないため、均等に分散は殆どな ため 均等 分散

岐阜県飛騨地方のホウレンソウ連作土壌の例

より迅速に、簡単に、安価に• 土壌微生物群集の有機物分解パターンの多様性とスピードからと土壌の生物性を一括して測るシステムを開発しました。
測を開発。
• 土壌の懸濁液が９５種類の異なった有機物を如何に偏り無く 如何に早く 如何に旺盛を如何に偏り無く、如何に早く、如何に旺盛に分解するかを、米国Biolog社のオムニログ
シシステムを用いて測ります。
ムを用測ります• ４８時間と言う短時間で土壌の生物的豊かさを定量的に測ることが可能です。

土壌懸濁液を用いた多様性評価法（2002年）＜土壌懸濁液法 ＞

培地上でコロニー形成できない微生物の炭素源資化能を含む

土壌懸濁液（10000倍希釈）
ろ過（No.2）

プレート4枚に分注

Biolog社製オムニログシステム

448時間（ 25℃）後に発色を測定

多様性が低いと、食べ残しが多い。
残しが多い

多様性が高いと、食べ残しが少ない。
食べ残しが少ない

高土壌微生物の活性が高いと病気が出にくい
病気

5000000
微生物活性の高い土壌

微生物活性の低い土壌

4000000
そうか病が激発

９５種類の異なった有機物を、土壌懸濁液中の微生物群集が分解していく過程を 機械の眼を通して連続いく過程を、機械の眼を通して連続自動観測し、微生物群集の有機物分解活性の多様性と高さを数値化します。

中程度

そうか病が出 にくい

3000000
2000000
10000000

有機物分解経時変化

従って、面倒な土壌からの微生物分離、培養は一切不要です。

低北海道のジャガイモ畑で多様性を測定

安全ゾーン

4.5
20年間未発生 K-2

4.0

K-1
6年間未発生

少～中発生

A-66
A3.5

E-1

3.0

D-1
D12.5

活性指数

C-12.0

要注意ゾーン
要注意ゾ
ン

A 3A-3

1.5

A-2甚発生圃場

T-1

101.0

A-10.5○○○○○○○○○○○○○○○○
○
○○○
○
○○○○
○○○○○○○○○○○○○
○
○○
○

○
▲○

▲▲▲▲▲▲▲▲▲

図２ トマト青枯病の発病程度と微生物活性

0.0

▲▲▲▲
▲
▲

発色積算値

2500000▲2000000▲

1500000▲▲▲▲1000000▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲500000▲▲▲▲
▲
▲

0

危険ゾーン
ゾ

土壌サンプル図３．北海道十勝地方の畑作土壌の微生物活性評価例□：優良土壌 ▲：問題土壌

例えば土壌の微生物性評価
結果は？

土壌の有機物分解
パターンの特徴解析

・土壌の微生物
土壌の微生物活性値の意味
・全国の土壌の微生物活性値との比較
・類似の活性値
類似の活性値の土壌の説明
土壌改良への・土壌改良へのアドバイス
・その他

畑の定期健康診断も可能に！
1,400,000
1,200,000
1,000,000

あなたの農作業の土壌生物性改善効果をきめ細かく把握、間違いのない土壌管理が可能になります

800,000
600 000
600,000
400,000
200 000
200,000
0（11/12）(12/11)対照

資材（1/28）(5/20)

堆肥

複雑系の制御は可能• 出力・入力の小刻みなフィードバック– 系の状態を直接・リアルタイムで知る– 馬と手綱の関係（ハーネシング理論）
馬と手綱の関係（ハ ネシング理論）

資材投入一つで土壌微生物の多様性と活性は大きく変わる！
どちらを選ぶかは生産者の自由

入力

出力Black Box

土の活性値を公開して正しい農業の証を新しい付加価値
農業の証を新しい付加価値へ• 生物性の豊かな土壌は、生産者の弛まぬ努力の証です。
• 農業にとって土壌は生産設備です。活性農業にとって土壌は生産設備です 活性の高い設備を育てることは、生産工程の正しさ 優秀さの証です
正しさ、優秀さの証です。
• 豊かな土は、環境に負荷をかけず持続的生産を可能にする、地球に優しい、環境価値の高い農業の証です。

共通マークにより共通
クにより安心のイメージを醸成

奥久慈土づくり農産物フェア＠秋葉原2010/05/25-26

複雑系は複雑系のみ制御が可能• 作物はカオスを飼い慣らす• 農家は作物を飼い慣らす• 農家をシステムの農家をシステムの一部に組み入れた農業部に組み入れた農業研究– 農家の研究が先決
農家 研究が先決• オンサイト・リアルタイム営農記録データベースの必要性• 農家は健康診断のように定期的に土壌診断結果に対応した土作り SRUに対応した土作り＝SRU

叡智を共有化

Next Steps
NeS eps• 2007年10月共同実験ステーション
稼動開始– 世界の土壌生物性の共通フォー
マットデータベース（マップ）化
プ– 時系列データの高度解析システム
時系列高度解析の共同開発– 複雑なデータの直観的解析手法の複雑なデ タの直観的解析手法の共同開発• 積極的な有機（的）農業の提案• 土壌微生物多様性分析ビジネス– オムニログ・ソイルドックセットの処理能
オムニログ ソイルドックセットの処理能
力：２００土壌／月・人– 土壌多様性地図構築• GIS地理情報システムとの協働– 環境配慮型土地利用計画事業– 環境修復事業