農 業 と 科 学

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平成 2
7年 1月 1日

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根粒菌生態機能を活用した環境保全型ダイズ生産技術の開発に向けて
国立大学法人宮崎大学農学部

教 授 佐 伯 雄
ダイズ生産の現状

ダイズと根粒菌の共生窒素固定は好適条件下ではダイズは，味噌，醤油，立腐，納豆など， 日本

30kg/10a以上の窒素を大気から固定して宿主ダイの食生活には欠かせない重要な作物です。また，ズに供給することが出来ます。このため，地力のダイズは種子中に 7%もの窒素を蓄え， I畑のお向上と共に，根粒菌機能を如何に引き出すかがダ肉」とも呼ばれるタンパク質含量の高い作物でイズ安定多収化の鍵と言えます。現在まで，窒素す。人間の体内で作り出すことの出来ない必須ア

固定能の高い根粒菌が選抜され微生物資材としミノ酸を含む 20種すべてのアミノ酸を含み，栄養て人工増殖した根粒菌をダイズ種子に接種し，栽ノミランス面からも大きな役割を担っています。平

培することで収量増加が図られてきました。しか成25年には，ユネスコ無形文化遺産に「日本人のし，接種効果が判然としない場合が多く，有意に伝統的な食文化J が登録され収量を増加させる農業技術として確立していない大豆食品を含む日本の食文化が世界から注目されています。近年，のが現状です。これは接種した有用根粒菌がダ中国がダイズの輸入大国に変化し，また，バイオイズに感染する前に土壌に適応した窒素固定能

ディーゼル燃料の油脂原料として注目されているの低い土着根粒菌が感染するため，ダイズ栽培歴こともあり，世界中での需要の高まりが国際取引のない根粒菌密度の低い土壌以外では，土着根粒価格の高騰を引き起こしています。このような世菌との競合で根粒占有率を確保できないためで界的な需要変化が起きている中す。したがって消費されるダイ根粒菌の土壌中における土着ズの 90%以上を輸入に依存している日本において化・優占化や根粒菌株間の競合感染メカニズムなは，国内自給率を上げるためにダイズの増産，安定供給が求められているのは当然のことと言えまど，生理・生態学的知見を蓄積し，根粒菌生態を明らかにした上での技術開発が望まれています。

平成 3
2年までに品目別自給

本稿では，ダイズ根粒菌の多様性，地理的分布す。農林水産省で、は率で 17%に上昇させる目標を掲げています。
現在， 日本の単位面積当たりのダイズ収量は全と根粒菌群集の変遷

および土壌中での根粒菌占有率に及ぼす脱窒能の影響について， これまで得国平均で 155kg
l10a (平成 25年)程度に過ぎませられたデータを抜粋整理してん。ダイズ収量を 300kg
l10a
得ようとすると窒素思います。

25kgが必要とされています。ところが，ダイズは根粒菌の共生窒素固定能と脱窒能

その生育に多量の窒素を必要とするにも関わら考察してみたいと窒素は大気中に N2ガスの状態で大量に存在してず，施肥窒素への反応性は低く，施肥による生育います。しかしながら制御が難しい作物と言われています。現在のとこ用することは出来ません。植物にとって窒素は，ろ，ダイズ生産性確保のためには，地力窒素の向上と土壌水分管理が重要とされています。一方，生体内でアミノ酸や核酸を構成する重要な元素でダイズへの窒素供給量を肥料によって人為的にコ素です。炭素，水素，酸素は，水や二酸化炭素，ントロールすることが難しい反面，共生根粒菌に酸素から獲得できますがよる共生窒素固定能を発揮させることによってダ.カルシウムなど多くの元素は根からの吸収に限イズの窒素要求に適応した窒素供給が可能です。

定されます。特に窒素は自然環境中で制限因子と動物や植物はN2を直接利あり，炭素，酸素，水素に次いで含有量の多い元
窒素・リン・カリウム

農 業 と 科

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学

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なりやすく，植物は，進化の過程で窒素獲得能力ナーゼの活性を落とさないようにしながら，自身や窒素利用効率を高めて来ました。なかでもマメ科植物は，大気中の N2をアンモニアに還元する生の細胞や感染根粒菌に酸素を供給しています。
一方で，ダイズ根粒菌はその窒素代謝の過程に物的窒素固定能を有する窒素固定細菌と共生関係おいて，脱窒能を示すことが知られています(図を結ぶ能力を獲得したことによって，間接的に大ぼ解放されたといえます。窒素固定細菌は，大雑1)。脱窒は嫌気呼吸の 一つで 水田土壌や常に土壌水が保持され ている微細土壌粒 子間隙の ような嫌気的(完全嫌 気的ではなく微好気 的環境)

把 に，単独で窒素固定を行う単生窒素固定菌と，条件下で硝酸イオンを順次還元し，窒素ガスを最植物との共生によって窒素固定を行う共生窒素固終生産物とします。 しかし定菌に分類されます。これらの生物的窒素固定反で，亜酸化窒素 (N20)を窒素 (N2)に還元する

応はニトロゲナー ゼと呼ばれる酵素 が行っていN
2+8H++8e‑+16ATP→ 2NH
3+H2+16ADP+16Pi

酵素を持たない微生物も多く，その場合， 二酸化炭素のおよそ 300倍の温室効果を示 す N20が大気中に放出されるこ とになります。 ダイズ根粒菌

ニトロゲナーゼは酸素感受性が高く，酸素分圧の脱窒能は Bradyrhizobium属 根 粒 菌 に つ い てが高いと失活してしまいます。マメ科と根粒菌のよく調べられていて，図 2に示 したように，同じ共生窒素固定では植物は根粒菌が作るニ トロ ゲナーゼを失活させないように ヘモグロビン(レグヘモグロビンと呼ばれる)を合成し，感染細胞Bradyrhizobium属根粒菌で、もその脱窒能が異 なることが分か っています (Sameshima‑
Saitoetal.

内の酸素分圧を下 げることによって ，ニトロゲ占するダイズ栽培圃場からの N20の発生が報告さ

気窒素を利用する能力を獲得し窒素不足からほて，以下の窒素固定反応を触媒しています。

硝化

脱窒関連酵素群の中2006)。 また，不完全脱窒能 を有する根粒菌が優N03‑

図1.土壌・ダイズ根圏を廻る窒素サイクル

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完全脱窒

mucinopr
α
めJrhizobium}
Bra
0
1
USDA1
USDA122

不完全脱窒

N 03帽→ N 02軸→ N O→ N20

mjaponicum USDA6uibozihrydar
B
USDA384
2
USDA1→ N 02‑iN03醐

ii，nαklmeuibozihryαdBr，

USDA616USDA7USDA9432m USDA1ucinoprjα，muibozih砂r
Bra
92USDA153USDA1

図 2. ダイズ根粒菌の脱窒活性(佐伯・城2013)れており，現在，環境保全型ダイズ栽培の課題となっています(金ら 2005)。この事実は，ダイズ根粒内での窒素代謝に脱窒過程を含んでいることを示しており研究の結果感染ダイズ根粒菌と根圏に生息する様々な生物の関与が示唆されて)。
210.2ltaaeban
I
います (ダイズ根粒菌のなかで B.japonicumUSDA110

これらの特性を利用することで環境保全型ダイズ栽培が可能になると期待されます。そのためには，ダイズ根粒菌の生態を明らかにし，共生微生物である根粒菌のなかでも 有用形質を有する根粒菌を効率よく感染させ根粒占有率を上げる栽培技術を開発することが必要になるのです。
根粒菌の生態研究

株は古くから窒素固定能の高い有用根粒菌としダイズの生産現場に目を向けると，土壌には，ダイズの増収を図る接種菌と特定の根粒菌が土着化・優占化してダイズ根粒菌群集構造を形成しており， これらの根粒菌はそのて認識されておりして期待されてきました。また

図 2に示したよ

宿主に適応して群集構造を形

うに， USDA110株は完全脱窒能を有します。最地域の土壌や気候近，根粒菌機能をうまく引き出して高い窒素固定成したと考えられます。したがって，根粒菌の生ダイズ根圏からの N20の揮散.
ltaを抑制する方法が報告されました(Itakurae

態学的研究の一つに，土壌pHやEC値，湛水状態，)。不完全脱窒能の根粒菌が優占する圃場で，3102

する根粒菌の適応能や環境傾度による宿主植物への親和性の変化などを評価し， どのような根粒菌能を発揮させつつUSDA110株の根粒占有率を高めたダイズ栽培を

また，緯度や高度の変化に伴う温度(地温)に対行うと， N20の発生が抑制されることが明らかとなりました。注目すべき点は 根粒が土壌気相のN20ガ、スまでも取り込んで還元し N2ガ、スとしてがどのような地域・気候帯に局在しているのか調

根粒菌には高い共メカニズムに関して得られた知見を，有用根粒菌

生窒素固定能と完全脱窒能を有する株が存在し，を利用した農業技術に応用することが期待される放出する点です。このようにべる研究があります。土壌あるいは地域に優占化している土着根粒菌を解析し，土着化・優占化の農 業 と 科 学

平成 27年 1月 1日(5)

司t ・川川 1".. 司川'"・ 10 ，.."'"・， 1..11周回 11." ， 11 11 噂司 1111 ， 111 11 ."1111・ 111111 ，.. ....'..111111.......'.1.. ， 11' ・・ 4 川 11'11" ー・川川 1 ・・'旬 "111 ・"川・ ....II.HIII II ・ ..1111111111....1'11'・ I ， II..~II ・・.，，"，....川H ・ 1111 圃噂川1t llttl~"'llllfl， lhll..I.. 1I 1・ 111-' 同'川 1111 1 '"わけです。宿主植物や根粒菌のゲノム情報の蓄積配列の違いが小さいためと分子生態学的研究手法の発達に伴い，宿主の多比較分類・同定するのに有用です。 一方で，ダイ様性や多様な土壌生物をも含む様々な環境因子下

ズ根粒菌のように限定された微生物種の種内多様における根粒菌生態に関する知見も蓄積されてき性を評価するためにはています。

ターゲットとして解析する必要があります。近年

ダイズ根粒菌種には新規の種が報告されてき異なる属種の微生物をより多型に富んだ領域をでは比較的多様性に富むハウスキーピング遺伝子ていますが，主なもので，Bradyrhizobiumjα'{Jonicum，などが注目されています。その中でも古くから利Bradyrhizobiumelkanii， Ensifer/Sinorhizobium}均dii

用されてきたのがが知られています。これまでの報告から，アルカITS)領域で， 16SrRNA遺伝子
transcribedspacer(.
}だdiiが局在しており，弱酸性かリ性土壌には Sと23SrRNA遺伝子との問に存在する介在配列で，

ら中性土壌にはBradyrhizobium属根粒菌が優占しB
radyrhizobiu
m属根粒菌では，イソロイシンとアているのは世界的に共通の現象と考えられます。

ラニンの tRNA配列が含まれています(図 3)。

16S‑
23SrRNA遺伝子 internal

また ， B.jα!
ponicumは温帯系のダイズ根粒菌 ， B.elkαni
iは亜熱帯

由̲
，.

16S‑
F

ITS‑F‑+.熱帯系のダイズ根粒ゅー園田

J6S‑
R菌と言えそうです「芯RPCRproduct(1450bp)inUSDA110PCRp
roduct(927bp)inUSDA110(Saekietα.
12006;Saeki

図3. ダイズ根粒菌解析のためのターゲ、ツ 卜領域etal.2005;Suzukietα1.

2008;Adhikarietal.
2012;Shiroetal.2012;Saekietα1.
2013)。

私たちの研究室では ， B
radyrhizobiu
m属根粒菌

根粒菌生態を研究するためには，根粒菌を分類

ITS領域の基準菌株として 11菌株を選抜・使用し現在では DNA多型を利ています (Saekietal.2004)。 これらの基準菌株する指標が必要であり用した分類法が主流となっています。原核微生との比較で，物の分類指標として最も多く利用されるのは 16Sの分布と多様性に関する ITS領域の解析の結果，rRNA遺伝子の配列で、図 4に示す結果が得られました。両国のダイズ根保存性が高く同属同種で日本とアメリカの土着ダイズ根粒菌

・

園町 1
23B
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j6・

B
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S・勾 1
10日Be
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8 .~ \-A;'~b.!".'

口町1

附

邸時 123

・.仰糾

阪.
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白酬

鴎 加676.

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H

図4. 日本とアメリカの土着ダイズ根粒菌の群集構造と地理的分布(Saekieta.
l2013，Shiroeta.
l2013より作図)農 業 と 科(6)学

平成 27年 1月 1日

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Hokkaido

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白のU A υ n uMiyazak.
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246Kentucky

810121416.USA

1820L1L
atitude("N)

図5. 緯度によるダイズ根粒菌群集構造の分布(SaekiandShiro2014)
図 5の結果が得らて以下のことが考えられます。細粒質土壌など，れます。アメリカの根粒菌分布は日本と比較して保水力が強く還元的になりやすい土壌では，微生南寄りに偏っているものの，北部で Bj123クラス

物は酸素の少ない環境に晒されることになりま

ター，温暖な地域で B
j6やBj110クラスター，亜熱す。したがって，呼吸は嫌気呼吸になり，微好気帯地域で、 Beクラスターに属する根粒菌が優占し的環境下で生残性の高い微生物が優占すると考えている点で共通であると言えます。日本とアメリられます。N20をN2に還元する完全脱窒能を有す

カの経度は，ほぽ地球の反対であるにも関わらる根粒菌は， N20までの不完全脱窒能の根粒菌にず，類似した緯度でダイズ根粒菌群集構造の変遷比べて，脱窒によるエネルギー獲得効率が高くが似ているという事実は，ダイズ根粒菌の土着(Thaueretal.1977) 酸素が制限された環境の土化・優占化に関わる環境因子に温度が含まれるこ壌で優占すると考えられます。現在， この仮説をとを示しています。

検証するため，湛水が脱窒能の異なる根粒菌の土粒菌の分布を比較してみるとさらに， 日本の根粒菌分布を見ると，根粒菌群壌中での占有率に与える影響に関して研究を進め集構造の緯度に沿ったニッチの変遷とは別に，シています。

ルト質土壌ではB.
japonicumUSDAII0株のクラス

農業技術の開発に向けて

ター (Bj110クラスター:図 4に示した黄色のク以上，これまでの研究成果を抜粋して紹介しまラスター)に属する菌株の占有率が非常に高いこした。 ダイズ根粒菌は共生の過程で窒素固定と脱とが判ります (Saekietal.2013)。図 4の日本地窒という矛盾した反応を根粒内で行っています。

図で示した秋田，山梨，静岡，高知，福岡，徳之

生物的窒素固定は比較的多量のエネルギーを必要

島の土壌は，グライ土，灰色低地土，細粒質赤黄とする反応であり色土です。グライ土・灰色低地土は，水田に利用の光合成産物を使用していると考えられています

される場合が多いのですが輪作や転換畑としてが，根粒内は酸素分圧の低い微好気的環境である

ダイズや麦が作られる場合も多く， B
jll0クラス

ため，脱窒関連遺伝子群が発現し，脱窒によってターの優占が各地で検出されます。その理由としも窒素固定のためのエネルギーを獲得しているのエネルギー源として宿主から

(7)農 業 と 科 学
平成 27年 1月 1日，，"
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.
.
.
11かもしれません。地球全体から発生する N20のう

文 献

ち，約4割が人間活動に伴う人為的発生であるとA
dhikarietα1.(2012) PlantSoil.357:1
31‑
145.

言われています。そのうち農耕地からの N20の発tα.
1(2009) MicrobesEnviron.24:64‑
67.
lnabae

生は人為的発生量のおよそ 40%を占めるとされて

ltaku
raetα.
1(2013) NαtureC
limateChαnge.
3:います。土壌における窒素の形態変化において，208・212.

N20はアンモニアの硝化に伴う過程でも，硝酸の金栄厚ら (2005) 日作紀 .
74:427・430.

脱窒に伴う過程でも発生する中間産物であるのSaekietal.(2006)SoilS
ci.PlαntNutr.52:

で，発生を完全に抑制することは難しいとされていますが，可能な限り人為的発生の削減が望まれます。ダイズ栽培において根粒菌群集構造のコントロールが可能になれば

418‑
426.
S
aekietal.(2005)SoilS
ci.PlantNutr.51:
1043‑
1052.

N20削減のための栽

Saekietal.(2013) MicrobesEnviron.28:470‑478.

培技術の一つになり，有用根粒菌は，高窒素固定

佐伯・城 (2013) 生 物 の 科 学 遺 伝 .7:557‑561.

能と N20ガス発生抑制能を示し

SaekiandS
hiro.(2014) Advancesi
nBiologyand

一石二鳥の微生物資材として活用が期待されます。
根粒菌生態研究の結果根粒菌の生態学的特性を利用し，有用根粒菌の根粒占有率を人為的にコントロール出来る可能性が拓けてきました。研究のさらなる展開によって遺伝子組換え体ではな

く，実在の根粒菌の生態を利用し，フィールドにおける有用根粒菌の根粒占有率を上げ得る環境保全型持続的ダイズ栽培技術の開発が期待されます。

EcologyofNitrogenFixation.1
95223.
田tal.(
2006)A
ppl.Env
iron.
Sameshima‑
SaitoeMicrobiol.74:2526‑
2532.

Shiroetα.
1(2012)A
ppl.E
nv
iron.Microbiol.78:
1243‑
1
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Suzukietal.(2008)SoilSci.P
lantNutr.54:
237‑
246.
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lRev.4
1 :100‑180.