世界初、土壌中における微生物の長期生存をコントロール～土壌中からの温室効果ガス排出削減に資する基盤技術を確立～

学校法人明治大学

2025年2月4日 19時00分

発表のポイント：

環境への負荷低減に資する、土壌中における微生物の長期生存をコントロールする基盤技術を確立しました。
生存性をコントロールする方法として、単一の細菌（大腸菌）における全転写因子*1を対象とし、土壌中での細菌の長期生存に必要な遺伝子を包括的に特定しました。
本技術を基盤とし、土壌中の微生物の生存性を改変することで、土壌中から排出される温室効果ガスの削減や、物質循環の最適化による化学肥料の使用量削減など、環境への負荷低減に資する技術への活用が期待されます。

1．概要

　明治大学（本社：東京都千代田区、学長：上野　正雄）農学部の島田　友裕准教授と日本電信電話株式会社（本社：東京都千代田区、代表取締役社長：島田　明、以下「NTT」）の共同研究グループは、土壌中における微生物の生存性を決定付ける遺伝子の特定を目的に、大腸菌*2をモデル微生物として用いて、世界で初めて土壌中における長期生存性に寄与する複数の遺伝子を特定することに成功しました。この成果は、土壌中から排出される温室効果ガスの削減や、土壌中の物質循環を最適化することで化学肥料の使用を減少させるなど、環境への負荷を低減する基盤技術として期待されます。

本成果は、2025年2月4日に英科学誌Scientific Reportsに掲載されました。

2．背景

　気候変動に関する政府間パネル（IPCC）第6次評価報告書（2021年）*3によると、「人間の影響が大気、海洋および陸域を温暖化させてきたことには疑う余地がない」とされており、温暖化対策が急務になっています。温室効果ガスの一つとして考えられている二酸化炭素（CO2）の排出は、土壌を含む陸地からの排出が人間活動による排出の約12倍高いことが報告されています（図1）。また、CO2よりも約290倍*4温室効果がある亜酸化窒素（N2O）は、化学肥料の過剰な土壌への添加と土壌中の微生物の活動によって生成されます（図2）。さらに、植物に吸収されなかった窒素などの栄養は、河川などの外環境に流出することで生態系にダメージを与え、環境への負荷となります。したがって、土壌中における微生物の活動を適切にコントロールし、環境負荷を低減する技術が求められています。

　これまで、土壌に含まれる微生物の活動をコントロールする主な方法は、土壌の硬さ、保水性、通気性といった物理的な性質や、土壌のpHや養分の種類・量などの化学的な性質を変化させることによって行われてきました。しかし、これらの方法では、土壌中に多様に存在する微生物叢全体の量を変化させることはできても、任意の微生物種毎に量を増減させることができないという課題がありました。例えば、N2Oを変換する微生物を増加させようとしても、その特定の微生物種のみを増加させることができず、陸地からの温室効果ガスの排出量をより効果的に低減させることが困難でした。

　そこで、土壌中で微生物の生存性を決定する遺伝子を特定し、特定の微生物種の生存性を個別にコントロールできる技術の開発が求められるようになりました。この考えのもと、NTTと明治大学は、大腸菌をモデル微生物として用い、その遺伝子を特定する共同研究を進めてきました。

図2. 土壌中の微生物による窒素化合物の変換の概要　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　土壌中の微生物により、アンモニア態窒素から硝酸態窒素、硝酸態窒素から窒素、亜酸化窒素（N2O）から窒素への変換が行われる。

3．技術のポイントと実験概要

①土壌中における大腸菌の生存性を測定する手法

　土壌中において、微生物の長期的な生存性に関わる遺伝子の情報はほとんどありません。そこで、遺伝子の解析が最も進んでおり、各遺伝子の機能に関する知見が蓄積されているモデル微生物である大腸菌を用いました。

　まず、大腸菌を用いた土壌中での長期生存性を評価するための測定手法の確立を行いました。大腸菌の細胞約2,000万個を1gの土と混合し、25℃、湿度60%に保つ恒温恒湿器に設置しました。土壌中の生存細胞数を測定する一般的な方法は、PCR法*5を用いてゲノムDNAの量を定量化することです。しかし、この方法では生きている細胞と死んでいる細胞を区別できません。そのため、本研究では、寒天プレート*6上で生きている細胞が形成するコロニー*7を数えることで、真に生存している細胞数を恒温恒湿器に設置後、0日、3日、7日、21日、および42日に測定しました（図3A）。

　その結果、0日目の生存を100％とすると、7.4%（3日目）、4.3%（7日目）、1.1%（21日目）、および0.27%（42日目）であることが分かりました（図3B）。

図3. 土壌中における大腸菌の生存率を測定する実験系（A）と、土壌中における大腸菌野生株の生存率の遷移（B）

②土壌中の微生物の生存性に関与する新規遺伝子の特定

　次に、確立した生存性を測定する手法を用い、大腸菌における土壌中の生存性に関わる遺伝子の特定を試みました。この特定において、大腸菌が有する全約300個の転写因子に着目しました。ゲノム上にある遺伝子の発現*8は、これら転写因子によって調節されるため、ゲノム上にある全ての遺伝子（大腸菌の場合約4,400個）を解析することなく目的を達成できると考えました。また、転写因子は環境変化に応じて働き、役割に応じて複数の遺伝子を制御するネットワークを形成しています。そのため、土壌中の長期生存のために微生物が感知するシグナル因子*9を解明するため、また、長期生存するための遺伝子機能を網羅的に明らかにするためにも有効な手段と考えました。

　各転写因子と土壌中の生存性の関係は、各転写因子遺伝子が欠損している大腸菌を用いて調査しました。これらの生存性を野生株と比較することで、欠損した株で生存性が向上すればその転写因子は生存性に対して負に、逆に生存性が低下すれば正に機能していると言えます。全294個の欠損株を解析した結果、転写因子を欠損させることで生存性が向上した株を4株、逆に低下した株を10株特定することに成功しました。このうちRpoSについては、以前の研究において、土壌中の長期生存性に影響を与える転写制御因子として唯一同定されていました。つまり、その他の13個の遺伝子については、土壌中での長期生存性に関与することが初めて明らかになりました。

図4. 大腸菌の土壌中生存率に大きな影響を与えた転写因子の実験結果例。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（A）欠損させることで生存率が向上、（B）欠損させることで生存率が低下。

③特定した遺伝子の微生物における機能

　先に記述した通り、大腸菌はモデル微生物として、各遺伝子の機能に関する知見が蓄積されています。それらの先行研究の情報を元に、本研究で特定した転写因子の微生物における機能をまとめました。赤字は欠損させることで生存性が向上した転写因子を示し、青字は低下した転写因子を示しています。これらの転写因子は、定常期*10ストレス*11（緑）、窒素源代謝*12（黄）、炭素源代謝*13（橙）、および浸透圧*14ストレス（青）に関わるものが含まれていました。これらのことから、微生物は土壌中で長期生存するために、定常期や浸透圧のストレス適応、さらに炭素源や窒素源の代謝に関わる遺伝子群を利用していることが分かりました。また、本研究の解析から、これらの転写因子は微生物種間における保存性が高く、微生物にとって普遍的な機能であることも合わせて分かりました。以上のように、これまでの実験室での液体培地を用いた短期的な解析では明らかになっていなかった、土壌中での長期生存に関わる転写因子の特定とその機能を、本研究において初めて解明したと言えます。

4．各社の役割

　NTT：藻類など、光合成を行う微生物における遺伝子の調節機構を明らかにする知見とその利用法を活用し、研究立案や大腸菌の遺伝子の機能解析を明らかにしました。

　明治大学：大腸菌の転写制御機構および転写制御因子に関する知見を活用し、土壌中における大腸菌の生存性を測定する実験系を確立しました。それに基づいて、土壌中の大腸菌の生存性試験を実施し、土壌中の微生物の生存性に関与する新規遺伝子を特定しました。

5．今後の展開

　本研究は、単一の細菌（大腸菌）における全転写因子を対象とし、土壌中での細菌の長期生存に必要な遺伝子を包括的に特定した初めての研究です。特定した遺伝子は転写因子であるため、これらの転写因子が調節する遺伝子をさらに解析することで、土壌中での長期生存に関わる分子機構をより詳細に解明することができます。また、転写因子は栄養などの環境シグナルを受けて機能が変化することが知られているため、そのシグナルを特定して利用することで、遺伝子の発現を介した生存性のコントロールが可能になります。これらの課題をモデル生物である大腸菌にとどまらず、土壌中の物質循環を担う微生物にも適用することで、温室効果ガスの削減、過剰な窒素源の環境への流出量削減や、化学肥料の使用量減少を通じた環境負荷の低減が期待されます。例えば、硝酸から窒素、N2Oから窒素へ変換する微生物の土壌中の生存性を高めることで、N2O排出量の減少や過剰な窒素源の環境への流出量の減少が実現可能になると考えられます（図6）。土壌中の物質循環は、多様な微生物の機能で成り立っているため、本基盤技術を適用する際には、土壌中の生物多様性を適切に維持することが重要となります。そのため、土壌中の循環系を評価しながら、研究開発を進めていきます。