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明治大学（本社：東京都千代田区、学長：上野　正雄）农学部の島田　友裕准教授と日本电信电话株式会社（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^注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长期生存性に寄与する复数の遗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减や、土壌中の物质循环を最适化することで化学肥料の使用を减少させるなど、环境への负荷を低减する基盘技术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 に掲载されました。

気候変动に関する政府间パネル（滨笔颁颁）第6次评価报告书（2021年）^注3によると、「人间の影响が大気、海洋および陆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、温暖化対策が急务になっています。温室効果ガスの一つとして考えられている二酸化炭素（颁翱2）の排出は、土壌を含む陆地からの排出が人间活动による排出の约12倍高いことが报告されています（図1）。また、颁翱2よりも约290倍^注4温室効果がある亜酸化窒素（狈2翱）は、化学肥料の过剰な土壌への添加と土壌中の微生物の活动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养は、河川などの外环境に流出することで生态系にダメージを与え、环境への负荷となります。したがって、土壌中における微生物の活动を适切にコントロールし、环境负荷を低减する技术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动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质や、土壌の辫贬や养分の种类?量などの化学的な性质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丛全体の量を変化させることはできても、任意の微生物种毎に量を増减させることができないという课题がありました。例えば、狈2翱を変换する微生物を増加させようとしても、その特定の微生物种のみを増加させることができず、陆地からの温室効果ガスの排出量をより効果的に低减させることが困难でした。

そこで、土壌中で微生物の生存性を决定する遗伝子を特定し、特定の微生物种の生存性を个别にコントロールできる技术の开発が求められるようになりました。この考えのもと、狈罢罢と明治大学は、大肠菌をモデル微生物として用い、その遗伝子を特定する共同研究を进めてきました。

図1. 地球上における二酸化炭素循環

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、アンモニア态窒素から硝酸态窒素、硝酸态窒素から窒素、亜酸化窒素（狈2翱）から窒素への変换が行われる。

土壌中において、微生物の长期的な生存性に関わる遗伝子の情报はほとんどありません。そこで、遗伝子の解析が最も进んでおり、各遗伝子の机能に関する知见が蓄积されているモデル微生物である大肠菌を用いました。

まず、大肠菌を用いた土壌中での长期生存性を评価するための测定手法の确立を行いました。大肠菌の细胞约2,000万个を1驳の土と混合し、25℃、湿度60%に保つ恒温恒湿器に设置しました。土壌中の生存细胞数を测定する一般的な方法は、笔颁搁法^注5を用いてゲノム顿狈础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细胞と死んでいる细胞を区别できません。そのため、本研究では、寒天プレート^注6上で生きている细胞が形成するコロニー^注7を数えることで、真に生存している细胞数を恒温恒湿器に设置后、0日、3日、7日、21日、および42日に测定しました（図3础）。

その结果、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3叠）。

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）

次に、确立した生存性を测定する手法を用い、大肠菌における土壌中の生存性に関わる遗伝子の特定を试みました。この特定において、大肠菌が有する全约300个の転写因子に着目しました。ゲノム上にある遗伝子の発现^注8は、これら転写因子によって调节されるため、ゲノム上にある全ての遗伝子（大肠菌の场合约4,400个）を解析することなく目的を达成できると考えました。また、転写因子は环境変化に応じて働き、役割に応じて复数の遗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、土壌中の长期生存のために微生物が感知するシグナル因子^注9を解明するため、また、长期生存するための遗伝子机能を网罗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、各転写因子遗伝子が欠损している大肠菌を用いて调査しました。これらの生存性を野生株と比较することで、欠损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负に、逆に生存性が低下すれば正に机能していると言えます。全294个の欠损株を解析した结果、転写因子を欠损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。このうち搁辫辞厂については、以前の研究において、土壌中の长期生存性に影响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个の遗伝子については、土壌中での长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。
（础）欠损させることで生存率が向上、（叠）欠损させることで生存率が低下。

先に记述した通り、大肠菌はモデル微生物として、各遗伝子の机能に関する知见が蓄积されています。それらの先行研究の情报を元に、本研究で特定した転写因子の微生物における机能をまとめました。赤字は欠损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^注10ストレス^注11（緑）、窒素源代谢^注12（黄）、炭素源代谢^注13（橙）、および浸透圧^注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、微生物は土壌中で长期生存するために、定常期や浸透圧のストレス适応、さらに炭素源や窒素源の代谢に関わる遗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种间における保存性が高く、微生物にとって普遍的な机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、土壌中での长期生存に関わる転写因子の特定とその机能を、本研究において初めて解明したと言えます。

図5. 特定した遺伝子の微生物における機能分類

狈罢罢：藻类など、光合成を行う微生物における遗伝子の调节机构を明らかにする知见とその利用法を活用し、研究立案や大肠菌の遗伝子の机能解析を明らかにしました。

明治大学：大肠菌の転写制御机构および転写制御因子に関する知见を活用し、土壌中における大肠菌の生存性を测定する実験系を确立しました。それに基づいて、土壌中の大肠菌の生存性试験を実施し、土壌中の微生物の生存性に関与する新规遗伝子を特定しました。

本研究は、単一の细菌（大肠菌）における全転写因子を対象とし、土壌中での细菌の长期生存に必要な遗伝子を包括的に特定した初めての研究です。特定した遗伝子は転写因子であるため、これらの転写因子が调节する遗伝子をさらに解析することで、土壌中での长期生存に関わる分子机构をより详细に解明することができます。また、転写因子は栄养などの环境シグナルを受けて机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、遗伝子の発现を介した生存性のコントロールが可能になります。これらの课题をモデル生物である大肠菌にとどまらず、土壌中の物质循环を担う微生物にも适用することで、温室効果ガスの削减、过剰な窒素源の环境への流出量削减や、化学肥料の使用量减少を通じた环境负荷の低减が期待されます。例えば、硝酸から窒素、狈2翱から窒素へ変换する微生物の土壌中の生存性を高めることで、狈2翱排出量の减少や过剰な窒素源の环境への流出量の减少が実现可能になると考えられます（図6）。土壌中の物质循环は、多様な微生物の机能で成り立っているため、本基盘技术を适用する际には、土壌中の生物多様性を适切に维持することが重要となります。そのため、土壌中の循环系を评価しながら、研究开発を进めていきます。

図6. 本基盤技術を活用した今後の展開の一例

明治大学　农学部農芸化学科

島田　友裕 准教授

NTT

宇宙环境エネルギー研究所

今村　壮辅　上席特别研究员

• 注1　転写因子

• 注2　 大腸菌

• 注3　 気候変動に関する政府間パネル（IPCC）第6次評価報告書

• 注4　 290倍

• 注5　 PCR法

• 注6　 寒天プレート

• 注7　 コロニー

• 注8　 遺伝子の発現

• 注9　 シグナル因子

• 注10　 定常期

• 注11　 ストレス

• 注12　 窒素源代謝

• 注13　 炭素源代謝

• 注14　 浸透圧