プレスリリース
茶園土壌から新しい硝化菌を発見

- 強く酸性化した農耕地土壌での施肥管理手法の改善に期待 -

情報公開日:2017年3月 1日 (水曜日)

ポイント

  • 茶園土壌から、新規の硝化菌1)(アンモニア酸化細菌)を発見しました。
  • このアンモニア酸化細菌は、強酸性の茶園土壌2)における硝化に寄与していると推定されました。
  • 発見したアンモニア酸化細菌の遺伝的・生理的性質を明らかにすることにより、酸性土壌での硝化を抑制し、硝化に起因する窒素肥料の流亡や、環境への悪影響を抑える技術開発が進むと期待されます。

概要

  1. 土壌中の硝化菌は、肥料中の窒素を硝酸態窒素に変化させますが、その過程で土壌は酸性化し、また、強力な温室効果ガスの一酸化二窒素が発生します。硝酸態窒素は土壌から流亡しやすく地下水汚染の原因になります。こうした問題は、窒素肥料を多用する茶園で顕著ですが、硝化菌のうち酸性に耐性をもつアンモニア酸化細菌は知られていませんでした。茶園での肥料の流亡を抑制し、環境負荷を軽減するためには、酸性に耐性をもち強酸性土壌で働くアンモニア酸化細菌を特定し、その性質を明らかにする必要がありました。
  2. 農研機構は、pH3付近の強酸性の茶園土壌から新規アンモニア酸化細菌を分離し、pH2~6の酸性環境下でも生育することを示しました。さらに、この菌が茶園土壌における硝化に寄与していることが推定されました。
  3. ゲノム解析3)の結果などから、発見したアンモニア酸化細菌は既知のアンモニア酸化細菌とは異なる属の細菌(新属新種)であることがわかりました。
  4. 発見したアンモニア酸化細菌を硝化抑制資材開発の実験材料として利用することにより、茶園などの強酸性土壌における施肥窒素の損失を防ぎ、強酸性土壌からの一酸化二窒素の発生や硝酸態窒素による水質汚染を防ぐ技術の開発に役立つと期待されます。
  5. 本研究成果は、科学誌 「The ISME Journal」 に受理され、2017年1月10日発行のオンライン版に発表されました。

予算

最先端・次世代研究開発プログラム「温室効果ガスの高精度モニタリングと環境メタゲノミクスの融合によるN2O削減」、JSPS科研費 26310315「農耕地における窒素循環の駆動力―微小環境でリンクする硝化と脱窒」、農林水産省農林水産業・食品産業科学技術研究推進事業「窒素肥料の利用効率向上と環境負荷低減化に向けた新世代サステイナブル硝化抑制剤の開発」

背景と経緯

農地に施用される窒素肥料は作物の生育に必要ですが、一方、過剰に施肥された窒素は環境問題の原因となります。窒素肥料には、主に「アンモニア態窒素」が含まれます。アンモニア態窒素は、土壌中の硝化菌(アンモニア酸化細菌および亜硝酸酸化細菌)の作用によって硝化され、「亜硝酸態窒素」、「硝酸態窒素」へと順に変化します。アンモニア態窒素が土壌に保持されやすいのに対し、硝酸態窒素は土壌に保持されにくく、雨の多い日本では、土壌中の水の浸透に伴って下層へと移動します。その結果、硝酸態窒素による地下水の汚染や施肥窒素の損失が問題となっています。さらに、アンモニア態窒素から亜硝酸態窒素への反応過程で、温室効果ガスである一酸化二窒素が発生します(図1)。特に茶の栽培では窒素の施肥量が多く、このような窒素の環境負荷が問題となっています。茶園土壌は窒素多肥のため強酸性化していますが、酸性で働く硝化菌(アンモニア酸化細菌)は知られていませんでした。

このような問題を解決するために、農地における硝化菌、特にアンモニア酸化細菌の作用を制御する施肥法やより強力な硝化抑制剤の開発が求められています。そこで農研機構は、他の研究機関と協力し茶園土壌の硝化を制御する方法を開発するために、酸性土壌で硝化を担うアンモニア酸化細菌の探索とそのゲノムや生理的な特徴の解明に取り組みました。

内容・意義

  1. pH3の強酸性茶園土壌(黒ボク土、写真1)から新規アンモニア酸化細菌(写真2)を発見しました。このアンモニア酸化細菌は、pH2~6の強酸性条件下でも生育しました。
  2. 新規アンモニア酸化細菌は、形態は海洋や塩湖にしか見られないアンモニア酸化細菌に類似していましたが、生理的性質やゲノム解析結果が大きく異なり、新属新種であることがわかりました。
  3. 実験に用いた茶園土壌からDNAとmRNAを抽出して分析したところ、より酸性の強い茶園土壌では新規アンモニア酸化細菌に特有の酵素遺伝子のDNAおよびmRNAが多く存在しており(図2、茶園土壌C、D)、この菌が強酸性茶園土壌における硝化に寄与していると推定されました。

今後の予定・期待

新規アンモニア酸化細菌の様々な性質の解明は、茶園などの強酸性土壌における施肥窒素の損失を防ぎ、温室効果ガスである一酸化二窒素の発生を制御する技術の開発に役立つと期待されます。現在、1府5県の公立研究機関の協力を得て、今回分離したアンモニア酸化細菌の農耕地土壌での分布と硝化への寄与について研究を進めるとともに、このアンモニア酸化細菌の酵素の性質に基づく硝化抑制剤の開発を進めています。ゲノム情報や生理的性質に関するデータを利用し、酸性土壌においてより効果の高い硝化抑制剤を開発する予定です。

発表論文

Masahito Hayatsu1, Kanako Tago1, Ikuo Uchiyama2, Atsushi Toyoda3, Yong Wang1, Yumi Shimomura1, Takashi Okubo1, Futoshi Kurisu4, Yuhei Hirono5, Kunihiko Nonaka5, Hiroko Akiyama1, Takehiko Itoh6 and Hideto Takami7 An acid-tolerant ammonia-oxidizing γ-proteobacterium from soil. ISME Journal. 2017, 10, doi.10.1038/ismej.2016.191

「γ-プロテオバクテリアに属する耐酸性アンモニア酸化細菌」

著者: 早津 雅仁1、多胡 香奈子1、内山 郁夫2、豊田 敦史3、王 勇1、下村有美1、大久保卓1、栗栖 太4、廣野祐平5、野中邦彦5、秋山博子1、伊藤武彦6、高見英人7

所属: 1農研機構農業環境変動研究センター、2大学共同利用機関法人自然科学研究機構 基礎生物学研究所、3大学共同利用機関法人情報・システム研究機構 国立遺伝学研究所、4東京大学大学院工学研究科、5農研機構果樹茶業研究部門、6東京工業大学大学院生命理工学研究科、7海洋研究開発機構 横浜研究所

用語の解説

1)硝化菌
アンモニアが亜硝酸を経て硝酸に酸化される微生物作用を硝化という。この硝化をおこなう微生物をまとめて硝化菌とよぶ。硝化菌は、アンモニアを亜硝酸に酸化するアンモニア酸化細菌とアンモニア酸化古細菌、亜硝酸を硝酸に酸化する亜硝酸酸化細菌、アンモニアを硝酸にまで酸化する完全硝化菌に分けられる。これらの微生物は土壌や海洋、湖水など多様な環境に存在し生態系の窒素循環を担っている。

2)強酸性の(茶園)土壌
作物により生育に適した土壌pH値があり、茶は酸性領域(pH4~5)での栽培に適するとされる。雨の多い日本では土壌中のカルシウムなどのアルカリ成分が流されて酸性化した土壌が多いが、植物残渣や化学肥料などの投入も酸性化の原因となる。特に硫安などの化学肥料を多量に施用する茶園では、pH3前後の強酸性の土壌が見られる。

3)ゲノム解析
遺伝子や遺伝子の働きを制御する全ての遺伝情報を解析する手法。

参考図

図1 土壌中の硝化反応と窒素の動き
図1 土壌中の硝化反応と窒素の動き

写真1 新規アンモニア酸化細菌を分離した茶園
写真1 新規アンモニア酸化細菌を分離した茶園
(静岡県島田市;農研機構果樹茶業研究部門金谷茶業研究拠点内)

写真2 分離したアンモニア酸化細菌
写真2 分離したアンモニア酸化細菌
(電子顕微鏡写真、バー:0.5µm)

図2 茶園土壌中のamoA転写産物(mRNA)
図2 茶園土壌中のamoA転写産物(mRNA)
amoAは硝化反応を担う酵素遺伝子でその転写産物量は硝化活性の指標になる。コピー数は転写産物数を示す。

法人番号 7050005005207