配布先︓京都⼤学記者クラブ、筑波研究学園都市記者会
解禁時間（ﾃﾚﾋﾞ、ﾗｼﾞｵ、WEB）︓平成３０年３⽉ 13 ⽇（⽕）午前４時（新聞）

︓ 平成３０年３⽉ 13 ⽇（⽕）⼣刊
平 成

3 0 年 ３ ⽉

8 ⽇

ツンドラの⽣態系でも硝酸イオンは⼤切な窒素源だった―最先端の測定技術で「⾒えない」硝酸イオンの重要性を検証―
概要
京都⼤学⽣態学研究センター ⽊庭啓介 教授、情報学研究科 ⼩⼭⾥奈 准教授、天津⼤学 XueYan Liu 教
授、森林研究・整備機構森林総合研究所四国⽀所の稲垣善之 主任研究員、酪農学園⼤学の保原 達 教授らの研究グループは、硝酸イオンの窒素酸素安定同位体測定技術を使って、ツンドラ植物にとっての硝酸イオンの重要性を明らかにしました。ツンドラ⼟壌では硝酸イオンは⽣成されず、植物にとって重要ではないと⻑年考えられてきました。しかし本研究では最新の濃度・同位体⽐測定技術を駆使して、温帯などの植物と同様に、⼟壌中の硝酸イオンがツンドラ植物にとって重要な窒素源であることを明らかにしました。
本研究成果は、2018 年 3 ⽉ 13 ⽇に⽶国科学アカデミー紀要（Proceedings of the National Academy ofSciences of the United States of America）にオンライン掲載されます。

北アラスカに広がるツンドラ⽣態系（Moist acidic tundra、アラスカ⼤学 Toolik Field Station 近く）。低温など厳しい環境であるため、植物が利⽤できる窒素は極めて少なく、植物の成⻑速度は極めて低い。⼤量の蚊に囲まれながらの作業のため、特別な服（bug-shirts）を着ての野外調査となる。写真に写っているのは酪農学園⼤ 保原教授。（提供︓⽊庭啓介）

１．背景
ツンドラ⽣態系は極地域に広がる⽣態系で巨⼤な炭素貯蔵の場であり、今後の気候変動によって有機物として貯蔵されている炭素が⼆酸化炭素などのガスに変化して⼤気へ戻ってしまうのかどうかを予測することが重要です。陸上⽣態系の炭素固定は植物の光合成によって⾏われますが、この光合成は植物への窒素供給速度によって左右されると考えられています。つまり、陸上⽣態系の炭素の動きを理解し予測するには、窒素がどのように利⽤され、分解され、⽣態系から失われるかを理解することが極めて重要になります。
このツンドラ⽣態系は植物や微⽣物が利⽤できる窒素が特に少ない⽣態系として知られており、どんな形態の窒素を植物は利⽤できるか、つまり植物の窒素源はどの形態の窒素か、について研究が⾏われてきました。
植物が利⽤できる窒素はアンモニウムイオン（NH4+）や硝酸イオン（NO3-）と古くから考えられてきましたが、90 年代に溶存有機態窒素（DON）が重要な窒素源であることがツンドラ⽣態系での研究で明らかになりました（Chapin et al. 1993, Nature）。この⼤きな発⾒もあって、植物の窒素源判定に関する研究はその後DON と NH4+に集中し、もう⼀つの窒素源であるはずの NO3-については、特にツンドラ⽣態系では注⽬されることはほとんどありませんでした。その理由として、そもそも⼟壌微⽣物による NO3-の⽣成（硝化）がツンドラでは起きないだろうと考えられていたことが挙げられます。低い pH、低温、微⽣物の⾼い窒素要求性などを考えると、⼟壌が分解され DON となり、さらに無機化されて NH4+になったとしても、NO3-が⽣成されることはなく、そのため植物による NO3-吸収同化も、さらに NO3-の流出や、脱窒によるガス態窒素としての損失は起こらないだろうと考えられてきました（図 1）。
しかし、⼀⽅で⽭盾していると思われる点もありました 15N（重窒素）でラベルされた NO3-を野外で与えると、ツンドラ植物も他の窒素と同じくらい NO3-を吸収することがわかっています（McKane et al. 2002, Nature）。
 NO3-を利⽤しているときに発揮される植物の硝酸還元酵素活性（NRA）が、NO3-がないとされるツンドラの植物にも認められます（Nadelhoffer et al. 1996, Oecologia）。
 モデル計算で異なる窒素源の重要性を検討すると、ツンドラ⽣態系では NO3-は他の窒素源と同じくらい利⽤されやすいという結果になります（Leadley et al. 1997, Ecological Monograph）
 ⻑年にわたりツンドラ⽣態系に窒素を⼤量に施肥した実験では、不思議なことに⽣態系に窒素が蓄積していなかったことがわかりました（Mack et al. 2004, Nature）。施肥した⼤量の窒素が利⽤されずに⽔に溶けて流出したという明確な証拠はなく、脱窒によりガス態窒素として失われた可能性があります。しかし、脱窒によって窒素が失われるときにはまず窒素の形態が NO3-になっていることが必要であり、その NO3-はツンドラ⼟壌ではほとんど⽣成されていないはずです。
この⽭盾を解くことは、窒素循環の根本的な理解、そしてツンドラ⽣態系の気候変動への応答を理解するために重要な知⾒を与えると考えられます。
２．研究⼿法・成果
そこで、『実はツンドラ⽣態系では NO3-も重要な窒素源ではないか︖⼟壌中で NO3-は⽣成されると同時に消費されているだけで「⾒えない」だけではないか︖』という仮説を⽴て、この検証を下記のように⾏いました。

2

検証 1 様々なツンドラ⽣態系で NRA を測定する︓NRA があれば NO3-吸収・同化を⾏っている
検証 2 既存の⼿法よりも⾼感度で NO3-濃度を検出できる脱窒菌法（NO3-を特殊なバクテリアを⽤いて⼀酸化⼆窒素ガスに変換し測定する⽅法）を⽤いて、ツンドラ植物体（葉、根）の NO3-濃度を測定する︓NO3-が検出されれば、NO3-を吸収している
検証 3 検証 2 で検出された NO3-について、さらに 15N および 18O ⾃然存在⽐を脱窒菌法を⽤いて測定する︓⼟壌 NO3-よりも 15N や 18O が濃縮していれば、体内に残された NO3-はたまたま吸収して体内にあっただけでなく、吸収のあと同化を受けている、つまり本当に NO3-が使われている
このような測定はほとんどこれまで例がないため、ツンドラ植物のデータだけを⾒ても NO3-の重要性を知ることは困難です。そのため、本研究では、NO3-の重要性が⾼いと考えられる、より温暖な⽣態系とのデータ⽐
較によりツンドラでの NO3-の重要性を間接的に議論することとしました。結果は下記の通りでした。
検証 1 結果︓アラスカツンドラのいろいろな⽣態系における植物の NRA は他の⽣態系と同等に発揮されていました＝ツンドラでも NO3-が植物に使われていることを⽰唆するものです。
検証 2 結果︓他の⽣態系と⽐較すると低い濃度ではあるがツンドラ植物体内に NO3-は存在していました＝ツンドラ植物も NO3-を吸収していたことが明らかになりました。特にツンドラ植物の⼀種（Polygonum bistorta）は、NO3-がないとされるツンドラでも、温帯の植物と同等かそれ以上に⾼い NRA と NO3-濃度を持っていることも明らかになりました。
検証 3 結果︓他の⽣態系と同様に、ツンドラ植物体中の NO3-には、⼟壌中の NO3-と⽐較して 15N と 18Oが濃縮していました＝ツンドラ植物は NO3-を吸収、そして同化していることが明らかになりました。
この結果を議論する際には、⼟壌 NO3-を同化していなくても、18O に富む降⽔由来の NO3-を吸収していると 18O が濃縮しているようにみえる可能性に注意しなければなりません。そこでもう⼀つの酸素の同位体である 17O が通常よりもどれくらい特異的に濃縮しているか（酸素同位体異常）を測ることで、降⽔ NO3-が体内にどれだけあるかの試算を⾏いました。温帯、亜熱帯では降⽔ NO3-が植物体内 NO3-に混⼊していましたが、P. bistorta 体内の NO3-については、この酸素同位体異常は認められませんでした。このことは、P. bistorta は⼟壌由来の NO3-を吸収同化していることを⽰しています。つまりは、⼟壌中での NO3-⽣成（硝化）があり、その硝化で⽣成された NO3-をツンドラ植物が吸収同化（つまりは利⽤）しているという、2 つのこれまで無視されてきた⽣態系の機能が明らかになったということになります（図 2）。
最後に、ここまでたしかに NO3-の重要性について⽰してきましたが、⼀体どれだけ重要なのか、ということに対しては答えられていません。そこで、植物の 15N ⾃然存在⽐が窒素源の 15N ⾃然存在⽐によって決まるということを利⽤して、⼟壌中の DON、NH4+そして NO3-の 15N ⾃然存在⽐と植物の 15N ⾃然存在⽐を⽐較し、混合モデルを⽤いて、NO3-がどれだけ貢献しているかを推定しました。いろいろな前提条件で計算しまし
たが、植物の窒素の 4〜52%が NO3-によるものという推定結果になりました。この結果からも、ツンドラ植物にとって⾒えない NO3-が実は重要な窒素源であったことが⽰唆されることとなりました。

3３．波及効果、今後の予定
これまで無視されてきた NO3-が実は重要であり、「⾒えなかった」NO3-があるという事実は、我々が描く窒素循環像を根本的に考え直す必要を迫るものです。そして炭素固定が今後どうなってゆくかという⼤きな問題に対して、その背後で重要な役割をしている窒素の動きを再度検討しなければならないということを意味しています。また、「どうしてツンドラ⽣態系に 15 年も⼤量に添加した窒素がなくなってしまっているのか」という先⾏研究の謎は、これまで無視されていた NO3-が鍵となり、脱窒による損失が起きていることで解ける可能性があります（図 2）。今後は物質の動きを同位体などの⼿法を⽤いて追跡するだけでなく、植物や微⽣物の応答の⽅からも物質のやりとりを⾒ることで、今まで⾒えなかった⽣物と環境の間での窒素のやりとり、その結果の窒素循環というものがより深く理解できるようになると期待されます。
４．研究プロジェクトについて
本研究は最先端・次世代研究⽀援プログラム（GS008）住友財団助成、科学研究補助⾦（26252020,26550004, 17H06297、P09316）、京都⼤学後援会（現公益財団法⼈京都⼤学教育研究振興財団）などからの⽀援を受けたものです。
<論⽂タイトルと著者>
タイトル︓Nitrate is an important nitrogen source for Arctic tundra plants
著者︓XueYan Liu, ⽊庭啓介, ⼩⼭⾥奈, Sarah E. Hobbie, Marissa S. Weiss, 稲垣善之, Gaius R. Shaver,Anne E. Giblin, 保原 達, Knute J. Nadelhoffer, Martin Sommerkorn, Edward B. Rastetter, George W.
Kling, James A. Laundre, Yuriko Yano, 眞壁明⼦, ⽮野 翠, CongQiang Liu
掲載誌︓ ⽶国科学アカデミー紀要（Proceedings of the National Academy of Sciences of the UnitedStates of America; PNAS）＜お問い合わせ先＞（研究に関すること）
⽊庭啓介 京都⼤学⽣態学研究センター・教授
TEL:090-9992-5380

FAX : 077-549-8254

E-mail: keikoba@ecology.kyoto-u.ac.jp
稲垣善之 国⽴研究開発法⼈森林研究・整備機構 森林総合研究所 四国⽀所・主任研究員（報道・広報に関すること）
京都⼤学 総務部 広報課 国際広報室
tel 075.753.5729 | fax 075.753.2094

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E-mail︓comms@mail2.adm.kyoto-u.ac.jp
国⽴研究開発法⼈森林総合研究所

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企画部 広報普及科

TEL︓029-829-8372

FAX︓029-873-0844

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