農研機構は、東北大学大学院生命科学研究科の加藤広海特任助教、南澤究特任教授、愛媛大学、bitBiome株式会社との共同研究にて、微生物の住処である「土壌団粒¹⁾」の一粒単位でのゲノム情報を、シングルセルゲノム解析²⁾により世界で初めて明らかにしました。本研究では、超音波処理が土壌からの微生物細胞の抽出効率を高めることを示しました。また複数の団粒を個別に解析した結果、いずれの粒の微生物群集も多様性（種数や種間の均等度合い）が類似しており、窒素循環を可能にするほぼ全ての機能遺伝子³⁾を特任き止めました。

　この成果は、土壌微生物の機能を活用して農地で発生する温室効果ガスの無害化⁴⁾の研究開発を行っている過程で得られたものであり、土壌構造と微生物生態の解明を通して、温室効果ガスの無害化対策につながることが期待されます。
 

 

温室効果ガスの一つである亜酸化窒素（N₂O）は、二酸化炭素の約300倍の温室効果を持ち、窒素肥料を大量に消費する農耕地土壌が最大の人為的発生源とされます。土壌には、多種多様な微生物が存在しています。それらの遺伝情報をまとめて調べる方法（メタゲノム解析⁵⁾）により、土壌微生物が土壌中での有機物の分解、養分の放出、ガス交換など、重要な物質循環機能を担い、農業や環境の健全性を支える重要な役割を持っていることが分かってきました。

現在、農研機構、東北大学、愛媛大学の研究グループは、土壌微生物の働きを活用して、N₂Oを無害なN₂に変換（＝無害化）することで温室効果ガスを削減するための研究開発に取り組んでいます。微生物の働きを活用するためには、微生物群集の多様性や機能を理解することが重要です。しかし、土壌微生物の住処である「土壌団粒」の内部から微生物細胞を取り出し、単離・培養することは困難であり、個々の微生物がどのような遺伝情報を持ち、どのような機能を担っているかは、これまでは詳しく分かっていませんでした。

このたび、研究グループは、土壌団粒の内部から微生物を壊さずに抽出する方法を検討し、細胞レベルで遺伝情報を詳しく調べる技術「シングルセルゲノム解析」を、土壌団粒単位で行うことに世界で初めて成功しました。

本研究では、「耐水性マクロ団粒⁶⁾」と呼ばれる団粒を対象に抽出方法を検討した結果、超音波処理を行うことで、より多くかつ多様な微生物を取り出せることが分かりました。特に、超音波処理によって、温室効果ガスN₂Oを無害な窒素ガスに変える細菌が多く見つかりました。さらに、この方法では、団粒の内部にすむ微生物も取り出せている可能性が示されました。また、複数の団粒を個別に解析した結果、いずれの粒も類似した細菌群集の多様性を持ち、窒素循環を可能にするほぼ全ての機能遺伝子を持つことを突き止めました。なお、本方法は、これまで困難であった土壌中の微生物の単離・培養というステップが不要です。

本成果は、微生物の機能を個別に解明するための大きな一歩です。今後、さまざまな種類の土壌にもこの手法を広げることで、土壌構造と微生物生態の解明が進み、温室効果ガスの無害化対策につながることが期待されます。

 

1) 土壌団粒
土壌粒子が集合して団子状になったもの。粒子どうしの間に隙間が生じるため多孔質な構造を持ちます。表層土壌の重要な構成要素であり、保水性や通気性を高める機能を持ちます。N₂O消去菌を含むほとんどの土壌微生物は団粒内に生息しています。

2) シングルセルゲノム解析
細菌などの微生物の1つの細胞からゲノムDNAを取り出し、増幅などの前処理を経てDNAの配列を読み取る解析方法。この方法により各細菌のゲノム配列の概要(ドラフトゲノム)を得られ、細胞レベルでの微生物の多様性や不均一性を調べることができます。

3) 機能遺伝子
生物が持つ遺伝子のうち、特定の機能を担うもの。

4) 温室効果ガスの無害化
温室効果ガスとは、大気中に存在することで地球の気温を上昇させる気体のことです。代表的なものには二酸化炭素(CO₂)、メタン(CH₄)、亜酸化窒素(N₂O)などがあります。N₂Oは、二酸化炭素の約300倍の温室効果を持ち、窒素肥料を大量に消費する農耕地土壌が最大の人為的発生源とされています。微生物の働きを活用することで、N₂Oを無害なN2に変換(=無害化)し、温室効果ガスを減らすことできます。

5) メタゲノム解析
生物を培養せずに、環境中(例えば土壌や水)の全ての微生物が持つDNAをまとめて解析する手法。

6) 耐水性マクロ団粒
水中でふるいにかけた際に残存する直径2mm以上の比較的強固な団粒。
 

【論文情報】

Emi Matsumura, Hiromi Kato, Shintaro Hara, Tsubasa Ohbayashi, Koji Ito, Ryo Shingubara, Tomoya Kawakami, Satoshi Mitsunobu, Tatsuya Saeki, Soichiro Tsuda, Kiwamu Minamisawa and Rota Wagai (2025) Single-cell genomics of single soil aggregates: methodological assessment and potential implications with a focus on nitrogen metabolism. Frontiers in Microbiology,

doi:10.3389/fmicb.2025.1557188

 

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