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日本農学会シンポジウム

SDGs を超える農学のブレイクスルー

すくった水を見るだけで，棲んでいる生きものが分かる
小出水規行*〔キーワード〕：環境 DNA，PCR，メタバーコーディ
ング，魚類生息調査，農業水路
1．はじめにいる．野外の水は一般に，プランクトンやバクテリアのほか，魚類や甲殻類などの代謝物や排泄物に由来する細胞片も微量に含んでいる．したがって，すくった水から DNA を抽出すれば，そこに棲むすべ

最近，絶滅危惧種や外来種の増加，あるいは SDGsての生きものの DNA が得られ，この DNA に基づ（持続可能な開発目標）といった観点から，私たちいてどの生きものがいるかを推定できる．このの身近な生きものや自然環境に目を向ける機会がDNA は，水という環境に由来することから，環境増えている．しかし，ここにどのような生きものがDNA と呼ばれている（図 2）．実は，環境 DNA を棲んでいるのか？この素朴な疑問に正確に答える

利用した分析は，以前からバクテリアなどの同定でことはとても難しい．例えば，水田，農業水路，た適用されていた．ところが，2008 年になって，魚類め池などの農村水域における生きもの調査では，こや両生類などの同定にも利用できることが確認されまで魚類を対象として，定置網，タモ網，センなれ，以降，日本，アメリカ，イギリスなどに広がり，どの漁具による個体採捕が行われてきた（図 1）．と現在では，世界各国で様々な動植物を対象に環境ころが，それぞれの漁具による個体の捕れ易さや調DNA 分析が取り組まれている．

査者の経験による採捕能力は異なるため，常に正し

環境 DNA 分析は，これまでの個体採捕による生い結果が得られるとは限らない．正しい結果を得る

きもの調査のあり方に大きな変化をもたらすと考には，多大な時間と費用をかけ，綿密な調査を行わえられている．現段階の技術では，個体識別まではなくてはならない．

できないが，分析によって検出された DNA の在非

このような中，近年，個体採捕の代わりに，すくっや量から，それに該当する生きものの生息の有無やた水を見るだけで，棲んでいる生きものが分かる「環境 DNA（environmental DNA または eDNA）分
析法」が新たな生きもの調査法として注目を浴びてDNA分析

生息種推定・特異的・網羅的

採水

環境DNA→代謝物や排泄物などに由来

図 1

農業水路における魚類調査（定置網を設置している様子）*農研機構 農村工学研究部門（Noriyuki Koizumi）

図2

環境 DNA 分析のイメージ

0369-5247/20/\500/1 論文/JCOPY

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農業および園芸

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多寡を推定できる．また，個体採捕と比較して，環境 DNA 分析は調査現地での作業が採水（水をすく第1号（2020 年）

現地①採水②ろ過う）だけで済むこと，漁具による魚体の損傷や個体の死亡がないこと，環境 DNA 分析の検出力や精度③環境DNA抽出が高いことなどが利点として挙げられる．ただし，残された課題も少なくなく，いまだ分析手順が統一されていないこと，結果が半定量的なこと（DNA量と個体数が 1 対 1 対応するわけでないこと），調査事例が限られていることなどが挙げられる．

実験室

以下では，環境 DNA 分析について，分析の流れを概説し，種特異的解析の事例として東海地方におけるアユ稚魚のモニタリング，種網羅的解析の事例として中国地方における 4 水域の魚類群集比較の 2つの分析事例を紹介する．なお，環境 DNA 分析について理解を更に深めたい場合は，日本語による既方法A：
種特異的解析

方法B：
種網羅的解析

④種特異的
プライマー決定⑥ユニバーサル
プライマー決定⑤-1：PCR増幅・電気泳動⑤-2：リアルタイム
PCR増幅⑦ライブラリ作成

PC
図3⑧塩基配列読取⑨相同性検索環境 DNA 分析の全体の流れ報（環境技術学会 2017；生物研究社 2018；環境DNA 学会 2019）が参考になる．また，国際誌（例異的プライマー）を用いて，⑤-1：DNA サンプルをえば，PLoS ONE，Scientific Reports，Conservation

PCR 増幅，電気泳動して対象種の検出有無を確認す

Genetics Resources など）を中心として研究論文の蓄る．また，⑤-2：リアルタイム PCR 増幅を行えば，積も進みつつある．

サンプルに含まれている対象種の DNA 量も推定で2．環境 DNA 分析の流れきる．方法 B では，⑥魚類等の種に共通する試薬（ユニバーサルプライマー）を用いて，⑦DNA ライブ

DNA はアデニン（A），チミン（T），グアニン（G），ラリを作成，⑧次世代シークエンサーで塩基配列をシトシン（C）の 4 つの塩基が結合した構造をもつ．

読み取り，⑨読み取った塩基配列がどの種に近いか

環境 DNA も含めて DNA による種同定では，これ推定する．なお，上記の作業のうち，①と②ではらの塩基の並び方（塩基配列）の違いを利用する．

DNA 分析専用の機器は必要なく，③以降に専用の塩基配列の違いには，個体レベルで異なるものから，機器が必要となる．分析の流れは小出水・渡部

種レベル，属レベル，…，魚類などの分類群レベル（2020）に分かりやすく整理しているので，参考にで異なるものがある．このため，目的に応じて塩基していただきたい．

配列のどの部分が異なるかを調べることで，例えば個体識別や血縁関係，種の同定などが可能である．
環境 DNA 分析には，対象とする 1 種の在非や多寡

3．種特異的解析の事例：
アユ稚魚の遡上モニタリングを推定する方法 A（種特異的解析），複数種を対象

環境 DNA 分析の種特異的解析の事例として，河に網羅的に分析する方法 B（種網羅的解析）の 2 つ

川を遡上するアユ稚魚のモニタリング調査を紹介の方法がある．方法 B は環境 DNA メタバーコーする．毎年春になるとアユ稚魚は河口から上流へとディングとも呼ばれ，一度に生物群集全体が分かる遡上する．アユは重要な水産資源であり，水域の連反面，作業や結果の解釈がやや高度になる．両方法

続性（頭首工や堰堤が移動の障害にならないこと）の分析の流れを図 3 に示す．まず，方法 A，B 共通や良好な水質環境を表す生物指標でもある．頭首工して，①調査現地で数 100～1,000ml 程度の水を採や堰堤に設置された魚道について，アユ稚魚が遡上る．②その場または実験室でフィルターを用いてろできるかどうか，これまで目視観察やビデオ撮影，過する．③ろ過したフィルター上の残渣から DNA

個体採捕などにより調べられてきた．しかし，このを抽出し，環境 DNA サンプルとして分析に用いる．

ような方法は，当日の天候や調査員の経験などに左方法 A では，④対象種だけに反応する試薬（種特右され，簡単には実施できない．そこで，採水だけ

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小出水：すくった水を見るだけで，棲んでいる生きものが分かるでモニタリングが可能な環境 DNA 分析が代わりにの稚魚が留まっていると推察される．実際，この頭利用できないか調査した．

首工において採水と同時にアユ稚魚の目視観察も調査は，東海地方の河川下流にある魚道付きの頭実施したが，6 月には降雨に伴う濁りによって観察首工で実施した．採水地点は，この頭首工から下流できない時が多々あった．この事例は，手軽であり400m と 100m，上流 100m と 400m の計 4 地点としながらも，目視観察では対応できない状況まで把握た．どの地点も 2017 年 4 月～6 月に週 1 回採水し，でき，環境 DNA 分析の長所を示している．

採水量はすべて 1,000ml に統一した．採水サンプル

4．種網羅的解析の事例：をろ過後，DNA 抽出し，4 地点の環境 DNA サンプ

中国地方における 4 水域の魚類群集の比較

ルについて，アユの DNA 濃度をリアルタイム PCR

環境 DNA の種網羅的解析の事例として，中国地で推定した．
結果を図 4 に示す．図を見ると，頭首工下流の方の農業水路と 3 河川における魚類群集の比較分析

DNA 濃度は調査開始の 4 月から徐々に増え，5 月末を紹介する．中国地方は関東地方や東北地方などとをピークに以降は減少した．この変化はアユ稚魚が比べて，生息している魚類の種類が多いことで知ら河口から遡上し，その数は 5 月末に最多になることれている．ここでは，環境 DNA 分析による生息魚を表す．また，濃度は低いが頭首工上流でも DNA類の推定結果とタモ網などの漁具による既存の個が検出されたことは，稚魚は魚道を遡上しているこ

体採捕による調査結果を比較した．とを反映している．ただし，下流の DNA 濃度が上採水地点は，水域の延長や幅などを考慮して，各流よりもかなり高いことから，頭首工下流には多く水域 3～5 地点とした．採水は 2017 年 2 月に行い，種特異的解析と同様に，採水量は 1,000ml に統一し30,00020,000た．採水サンプルをろ過し，環境 DNA を抽出後，上流400m
コピー数濃度の期間平均：1,004

バーサルプライマーを用いて PCR を行った．どのサンプルかが分かるように，ライブラリには異なる

030,00020,000タグを付け，次世代シークエンサーで解析後，各地点の環境 DNA サンプル溶液に含まれる魚種を推定した．一方，個体採捕による調査結果として，過去

上流100m

5 年以内に近隣の地点でタモ網，投網，定置網など79510,000により実施されたものを利用した．

0解析結果の一部を図 5 に示す．コイ科，ドジョウ
頭首工30,00020,000

魚道科，ハゼ科を中心に合計 31 種が環境 DNA によって

30下流100m■環境DNA■個体採捕調査

2,510

10,0000

魚種数2030,000

下流400m

アユの DNA 濃度の変化

06/27

6/13

5/31

水×4/0410,000
010

7,083

5/15

20,000

5/02

アユDNAのコピー数濃度（DNAコピー数/µL）の平均

10,000

図4

得られた環境 DNA サンプルは魚類に共通するユニ

水路
図5

河川A

河川B

河川C

環境 DNA 分析と個体採捕調査による種数比較

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第1号（2020 年）推定され，河川 B の 14 種が最小となり，29 種の河えられなかった，様々な現象が明かされようとして川 C が最大となった．水域間の種数の違いは水域のいる．今後，水域だけでなく様々な環境において，大きさや流れといった環境の違いに関連すると考また，魚類だけでなく他の生物分類群にも環境えられた．また，既存の採捕調査結果と比較して，DNA 分析が適用され，生態系のモニタリングや保各水域で採捕できたのは 13～15 種に留まり，その全管理に大きく貢献することを期待したい．

全ての魚種が環境 DNA による推定魚種に含まれていた．採捕できる魚類には限りがあり，環境 DNA分析による生息魚類推定の有効性を示している．
5．おわりに以上のように，生きもの調査法として，最先端の環境 DNA 分析法とその分析事例を紹介した．環境
DNA 分析法は，この他にも希少種や外来種，有害鳥獣などの生息分布やその季節変化，移動の推定，糞の分析による餌生物の推定にも広く適用できるだろう．環境 DNA 分析には，環境 DNA の移動範囲や滞留時間，劣化速度をはじめ，低コスト化，簡便化に向けた分析技術の改善などの多くの課題が残されている．しかし，環境 DNA 分析の利用により，個体採捕や目視観察などの従来の調査法では捉引用・参考文献
1）環境 DNA 学会（2019）：環境 DNA 調査・実験マニュ
アル Ver.2.1，1-104，http://ednasociety.org/eDNA_manual_ver2_1_3.pdf．
2）環境技術学会（2017）：生物分布調査における環境 DNA
分析の可能性，環境技術，46，623-652．
3）小出水・渡部（2019）：環境 DNA を利用したアユ稚魚の遡上モニタリング：2017 年と 2018 年の比較，2019年度農業農村工学会大会講演会講演要旨集，778-789．
4）小出水・渡部（2020）：生態系解析，農業水利学，文永堂，（印刷中）．
5）農研機構農村工学研究部門（2018）：魚が棲みやすい農業水路を目指して～農業水路の魚類調査・評価マニュ
アル～，農研機構農村工学研究部門，1-110．
6）森ら（2018）：農業農村整備のための生態系配慮の基礎知識（11）－農村生態系配慮にむけた新しい調査・分
析手法－，農業農村工学会誌，86（11），59-64．
7）生物研究社（2018）：環境 DNA が拓く魚類生態研究の未来，海洋と生物，40，3-65．