アーバスキュラー菌根菌の純粋培養に世界で初めて成功

微生物肥料としての大量生産に道

2019-06-25 大阪府立大学,基礎生物学研究所,信州大学,北海道大学,科学技術振興機構

ポイント

アーバスキュラー菌根菌（ＡＭ菌）は微生物肥料として農業利用が期待されている土壌微生物ですが、植物と共生しないと生育できない性質を持っています。
今回、脂肪酸を添加した培地でＡＭ菌を単独で培養したところ、生育が促されて共生能を持つ次世代胞子が形成されることを発見しました。
これによりＡＭ菌の純粋培養が可能となり、本菌を大量生産できる可能性が開けました。

大阪府立大学（学長：辰巳砂昌弘）大学院生命環境科学研究科の秋山康紀　教授、筒井一歩　大学院生（当時）、林英雄　教授（当時）と、自然科学研究機構基礎生物学研究所（所長：阿形清和）の川口正代司　教授、亀岡啓　博士研究員、信州大学（学長：濱田州博）農学部の齋藤勝晴　准教授、北海道大学（総長：名和豊春）大学院農学研究院の江澤辰広　准教授らは、ＪＳＴ戦略的創造研究推進事業ＡＣＣＥＬにおいて、微生物肥料として農業への利用が期待されているアーバスキュラー菌根菌（ＡＭ菌）の単独での培養に世界で初めて成功しました。これにより、ＡＭ菌を純粋培養して大量生産できる可能性が開けました。

環境負荷の低い次世代の栽培体系の１つとして有用土壌微生物の活用が世界的に活発化しています。その中でも、ＡＭ菌に大きな期待が寄せられています。ＡＭ菌はイネ科やマメ科など重要作物を含むほとんどの植物と共生関係を結ぶことができ、必須栄養素であるリンを植物に供給します。しかし、植物と共生しないと生育できない性質を持つため、増殖に手間とコストがかかることが問題でした。

本研究では、バクテリアとの共存培養によりＡＭ菌の胞子形成が誘導されたという先行研究を手掛かりとして、バクテリア由来の枝分かれ脂肪酸に増殖促進効果があることを発見しました。さらに不飽和脂肪酸であるパルミトレイン酸がより強くＡＭ菌の生育を促進して胞子形成を誘導することを発見しました。形成された胞子は、植物根に正常に感染共生して娘胞子を形成できることが分かりました。この結果は世界で初めてＡＭ菌の純粋培養に成功した例となりました。

本研究成果は、英国時間２０１９年６月２４日１６：００（日本時間２０１９年６月２５日０：００）に英国科学誌「ＮａｔｕｒｅＭｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ」のオンライン速報版で公開されます。

本研究は、ＪＳＴ戦略的創造研究推進事業ＡＣＣＥＬ研究開発課題名：「共生ネットワークの分子基盤とその応用展開（ＪＰＭＪＡＣ１４０３）」、研究代表者：川口正代司（自然科学研究機構基礎生物学研究所　教授）、プログラムマネージャー：齋藤雅典（科学技術振興機構）および科研費（２２１２８００６、１５Ｈ０１７５１）のサポートを受けて実施されました。

＜研究の背景と経緯＞

農業における化学肥料と化学農薬の活用による栽培体系の革新は飛躍的な食糧の増産をもたらし、全世界７５億人の生命を支えてきました。しかし、現時点においても１０億人が深刻な栄養不足に苦しんでいる中、国連が発表した「世界人口予測２０１７年改定版」では、世界人口は２０５０年には９８億人、２１００年には１１２億人を越すと予測されています。人類活動による温暖化や土壌汚染、河川湖沼汚染などの地球レベルの環境問題に対処しつつ、人類への食糧供給を維持するためには環境負荷の低い次世代の栽培体系の構築が喫緊の課題です。その解決の１つとして有用土壌微生物の活用が世界的に活発化しています。

アーバスキュラー菌根菌（ＡＭ菌）は約４億年の太古から植物の根に共生して生きてきた土壌に生息する菌類（いわゆるカビの仲間）で、有用土壌微生物として研究が進められています。ＡＭ菌は必須栄養素であるリンや窒素を土壌から吸収して共生相手である宿主植物に与えることで農地や自然生態系での植物の生育を助けています。特にＡＭ菌はイネ科やマメ科、ナス科などの重要作物を含むほとんどの陸上植物と共生関係を結ぶことができるため、微生物肥料として大きな期待が寄せられています。しかし、ＡＭ菌は共生したときに宿主植物から供給される炭素源に依存して生育する性質を持つため、単独ではほとんど生育できず、次世代の胞子を形成することもできません（このような性質を絶対共生性といいます）。このため、ＡＭ菌を増殖させるためには、植物と共存培養する必要があり、手間とコストがかかるという問題があります。これまでにＡＭ菌を純粋培養により増殖しようとする試みが世界中で行われてきましたが、成功した例はありませんでした。

＜研究内容と成果＞

ドイツの研究グループがＡＭ菌ＲｈｉｚｏｐｈａｇｕｓｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｓをバクテリアＰａｅｎｉｂａｃｉｌｌｕｓｖａｌｉｄｕｓと一緒に培養すると、ＡＭ菌が菌糸を分岐させつつ旺盛に生育し、ついには次世代の胞子を形成する現象を発見していました。このことからバクテリアに由来する何らかの物質がＡＭ菌の生育と胞子形成を誘導すると考えられていましたが、その物質は不明のままでした。

私たちは、そのバクテリア由来の物質の単離に成功し、それが枝分かれした炭素鎖を持つ脂肪酸であることを解明しました（図１）。その枝分かれ脂肪酸を含んだ培地でＡＭ菌Ｒｈｉｚｏｐｈａｇｕｓｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｓを単独で培養したところ、旺盛な菌糸分岐形成とともに、わずかに次世代の胞子が形成されました。

そこで、他のさまざまな脂肪酸について調べたところ、炭素数１６の不飽和脂肪酸であるパルミトレイン酸（図１）がバクテリア脂肪酸よりも強くＡＭ菌の生育を促進し、より多くの次世代胞子を誘導することを発見しました（図２）。パルミトレイン酸を含む培地で形成されるＡＭ菌の胞子は、植物との共生培養で形成される胞子と比べると小型で、細胞壁の厚さも薄いものでしたが、植物根に正常に感染共生して次世代の娘胞子を形成できることが分かりました（図３）。すなわち、ＡＭ菌の単独での純粋培養に世界で初めて成功することができました。

パルミトレイン酸によりＡＭ菌で発現する遺伝子群を、植物根と共生したときに発現する遺伝子群や植物の根から分泌されるＡＭ菌の誘引シグナル物質であるストリゴラクトンにより発現する遺伝子群と比較したところ、それらに共通する遺伝子はほとんど見られませんでした。このことから、パルミトレイン酸によるＡＭ菌の生育促進や胞子形成は、植物と共生しているときとは異なる新規な機構で起こっていると考えられました。

＜今後の展開＞

リンは有限の資源です。その一方で、先進国ではリンは過剰に施肥される傾向にあり、土壌環境に対する過負荷が懸念され、水系汚染の原因ともなっています。そこでＡＭ菌の微生物肥料としての活用が期待されています。実際にいくつかのメーカーが農業資材化に成功し、市販されています。しかし、ＡＭ菌の増殖には宿主植物との共生が必要で手間とコストがかかるため、結果として資材が高価となり、なかなか一般には普及していないのが現状です。

今回の研究成果により、ＡＭ菌の純粋培養への道が開かれました。今後、脂肪酸による胞子形成の機構を詳細に解析し、明らかにしていくことで、さらなる培養効率の改善が期待できます。加えて、近年のＡＭ菌のゲノム解読により、ＡＭ菌の絶対共生性の原因となる可能性のある欠損代謝系が次々に明らかにされています。これらの知見を基に培養技術の改良を加速化すれば、大規模な培養タンクを用いたＡＭ菌の大量生産も可能となると思われます。すでに私たちは今回の研究成果を基に技術改良を進めており、大幅な培養効率の改善を達成しています。得られる胞子の数や共生能の点で植物を用いた共存培養にまだ及びませんが、継続的に改良を重ねていけば、将来的には低コストでかつ安定的にＡＭ菌を供給することが可能になると期待されます。