Isolation and characterization of iron-reducing bacteria, potential drivers of reductive nitrogen transformation in paddy soils

概要

審

査

の

結

果

の

要

旨

氏

名

許

振興

本論文は水田土壌の還元的窒素変換を担う鉄還元細菌の分離と性状解析について述べた
もので 5 章より成る。
第１章では本研究の背景と目的について述べている。水田土壌においては湛水期間中、
様々な還元反応が起きる。中でも脱窒、アンモニウム生成型異化的硝酸還元(Dissimilatory
Nitrate Reduction to Ammonium, DNRA)、窒素固定等の還元的窒素変換反応は、アンモ
ニウムの生成・保持や、土壌からの硝酸の溶脱、一酸化二窒素（N2O）排出の低減に貢献す
る反応であり、持続的な水稲生産と環境保全を支えている。申請者が所属する土壌圏科学研
究室では、還元的窒素変換反応を駆動する微生物を、水田土壌由来の RNA を用いたメタト
ランスクリプトーム解析により特定している。その結果、還元的窒素変換反応に関連する遺
伝子転写産物の多くは、鉄還元細菌として知られる Deltaproteobacteria 綱の Geobacter お
よび Anaeromyxobacter 属に由来することが明らかにされていた。しかしこれらの鉄還元
細菌は、これまで水田土壌から分離されておらず、窒素変換機能も確認されていなかった。
本研究では、水田土壌からこれら鉄還元細菌を分離し、生物地球化学的物質変換、特に窒素
変換に関わる機能を探ることを目的としている。
第 2 章 で は Geobacter 属 お よ び Anaeromyxobacter 属 細 菌 の 単 離 ・ 同 定 と

Geobacteraceae 科細菌の再分類について述べている。水田土壌から鉄還元細菌を分離する
ため日本全国から水田土壌や底質を採取し、嫌気条件下で集積培養を行い、Geobacter 様菌
株を 63 株、ならびに Anaeromyxobacter 様菌株を 3 株分離した。多相分類学的解析の結
果、
Geobacter 様分離株から 14 の新種、2 つの新属を提唱し、Geomonas および Oryzomonas
と命名した。さらに Geobacteraceae 科は再分類が必要であることも示し、新たに 11 属の
Clade に分割することを提案している。
第 3 章では Geomonas 属および Oryzomonas 属細菌が好む生息環境と生物地球化学的な
役割について述べている。新種の Geomonas 属および Oryzomonas 属細菌は、水田土壌が
主な生息環境であることが示された。公共データベースのメタゲノム解析から、水田土壌に
おける窒素変換に Geomonas 属が大きく関与していることが示唆された。本研究で分離し

たこれら細菌の菌株は全て鉄還元能を示した。またアセチレン還元活性試験から、窒素固定
能も確認された。窒素固定活性は Fe(III)-NTA により高められ、硝酸塩と亜硝酸塩により阻
害された。さらにこれらの菌株は、炭素源として酢酸の他、稲わらの主要構成成分であるセ
ルロースやキシランを利用して窒素固定を行った。このことから、これらの菌株は水田土壌
において稲わらから炭素源を得て窒素固定を行い、土壌の炭素および窒素循環の両者に関
わっている可能性が示された。
第 4 章では Geomonas 属細菌の DNRA 活性および DNRA 由来の N2O 生成経路につい
て述べている。Geomonas 属の菌株は DNRA 活性を有し、その過程で N2O を生成した。
DNRA を通した N2O 生成についてはほとんど報告が無いため、2 種の Geomonas 株を用い
て生理的試験を行った。その結果、N2O は生物的反応により主に亜硝酸から生成されるこ
とが示された。定量解析から、DNRA の生成物としては NH4+が大部分で N2O は少量であ
り、Geomonas 属細菌は DNRA によって水田土壌の窒素肥沃度維持に貢献していることが
示唆された。DNRA 由来の N2O の窒素原子の site preference （SP）値は他の窒素変換反
応由来の N2O の SP 値よりも著しく高いことを見出し、SP 値は N2O 生成経路の特定に利
用できることが示された。また、硝酸還元酵素(Nar)遺伝子群の発現解析等から、nar 遺伝
子群が Geomonas 属細菌の N2O 生成に関わる重要な酵素遺伝子群であると考えられた。一
方、培地の pH や C/N 比が NO2−の蓄積を介して N2O 生成に影響を与えることも示され、
土壌からの N2O 排出抑制に応用できる知見が得られた。
第 5 章では本研究の総括と展望を述べている。本研究では、日本の水田土壌から多数の
鉄還元細菌を分離し、新種と新属を提唱している。同時に、Geobacteraceae 科を再分類し
た。
鉄還元、
窒素固定、稲わら構成成分の炭素源としての利用、
DNRA 能を確認し、Geomonas
属および Oryzomonas 属細菌が水田土壌におけるアンモニウム生成に貢献していることを
示した。Geomonas 属細菌が行う DNRA 反応の副産物である N2O が主に亜硝酸から生成
されることを明らかにし、N2O 排出抑制に繋がる知見を得た。本研究は、鉄還元細菌が水
田土壌における還元的窒素変換、特にアンモニウム生成に重要な役割を果たしていること
を明らかにし、持続的な水稲生産に大きく貢献している可能性を示したものである。
これらの研究成果は、学術上応用上寄与するところが少なくない。よって、審査委員一同
は本論文が博士（農学）の学位論文として価値あるものと認めた。

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