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大学・研究所にある論文を検索できる 「ヤムイモ(Dioscorea spp.)における生物的窒素固定と窒素固定細菌の共生に関する研究」の論文概要。リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。

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ヤムイモ(Dioscorea spp.)における生物的窒素固定と窒素固定細菌の共生に関する研究

髙田 花奈子 東京農業大学

2021.10.01

概要

序 章
本研究は,ヤムイモ(Dioscorea spp.)における生物的窒素固定の推定をもとに吸収窒素の由来と共生微生物の存在を明らかにしたものである。

ヤムイモはアフリカ,南アメリカ,アジア,熱帯太平洋諸国において,主作物として供給されている。今後人口増加が予想される開発途上国を中心とした熱帯・亜熱帯地域においてヤムイモの生産性を改善することは極めて重要である。しかし,近年アフリカにおけるヤムイモの収量の増加はわずかであり,生産性の向上を目指した肥培管理技術の整備が必要である。

多くの先行研究はヤムイモの幅広い環境適応能力を指摘し,栽培環境や栽培方法及び品種や系統によって生産に必要な施肥量が異なることを示している。低肥沃土壌条件下での適応能力に優れたヤムイモ系統が存在する要因として,生物的窒素固定による独自の窒素吸収特性が生育に関与していると推測された。これを実証するためにヤムイモへの窒素供給システムの解明と共生窒素固定細菌の存在を明らかにすることを目指した。

本論文では,ヤムイモの中でも主要な栽培種であるダイジョとホワイトヤムについて,窒素固定能を明らかにし,植物体から分離した共生細菌について窒素固定活性の可否の推定と近縁種細菌の決定を行った。さらに,窒素固定能の品種・系統間差異を明らかにして,アフリカの低肥沃土壌条件下に栽培可能な品種の育成並びに肥培技術の開発に資する基礎知見を示した。

第 2 章 δ15N を用いたダイジョの窒素固定能の評価
ヤムイモの幅広い環境適応能力や,系統によって施肥効果が異なる要因として窒素固定に注目した研究はこれまでになく,大気由来の窒素の吸収についての詳細は不明である。本章では,ヤムイモにおける窒素吸収源の推定および窒素固定能について検証することを目的に ダイジョを沖縄県宮古島市で栽培し,植物体の重窒素自然存在比(δ15N)の測定を行った。

ダイジョ A-19 系統を無施肥栽培し窒素吸収源の検証を行った結果,葉の δ15N は植えつけ 後 60 日目に+4.58‰を示したが生育に従って減少し,植えつけ後 180 日目には+2.33‰を示したことからダイジョの植物体が空中窒素を取り込んでいることを確認した。さらに,植えつけ後 120 日目においてカボチャを対照とし窒素固定寄与率を算出した結果,カボチャの δ15N は+4.18‰であったのに対しダイジョの δ15N は+2.59‰と低く,ダイジョの窒素固定寄与率は 38.04%であると推定された。また施肥をした場合,ダイジョ A-19 系統は肥料の種類に関わらず与えた肥料の窒素成分を優先的に吸収するが,施肥の肥効が低下すると空気中の窒素を固定している可能性が示された。

第 3 章 ダイジョにおける共生窒素固定細菌の単離と近縁種決定
第 2 章では,ダイジョの生育に従って植物体の δ15N が減少することから,大気由来の窒素を取り込んでいることを明らかにした。このことから,ダイジョ植物体に窒素固定菌が内生している可能性が考えられた。そこで本章ではダイジョの共生窒素固定細菌の探索を目的に,培養法を用いて無施肥栽培したダイジョ A-19 系統の植物体中に内生している細菌の単離を行い,分離された細菌株についてアセチレン還元法(ARA 法)により窒素固定能の有無を調べ,16S rRNA 遺伝子解析を行い属レベルでの近縁種の決定を行った。

2014 および 2015 年に調査を行った結果,ダイジョ A-19 系統の茎および根から,計 13 菌株の ARA を示す細菌を分離することに成功した。各分離株の 16S rRNA 遺伝子の部分配列をシークエンスした結果,これらの分離株は Bacillus,Cohnella,Kosakonia,Azospirillum, Pantoea,Dyella,Enterobacter 属に加え,根粒菌である Rhizobium および Ralstonia 属と近縁であった。本実験により分離された窒素固定細菌と近縁な細菌種は,2014 年に分離された細菌株と同じ属のものもあったが,系統樹解析の結果いずれも相同性が低かったことから,種イモを介して継代的に感染することは確認できなかった。

第 4 章 ナイジェリアのヤムイモにおける共生窒素固定細菌の単離と近縁種決定
第 3 章の実験から,ダイジョが窒素固定能を持つ細菌と共生していることが確認された。しかし,西アフリカのヤムイモ栽培種も同様の能力を持つかは未知である。そこで第 4 章では,アフリカ産のダイジョに加え,世界で最も生産量が多いホワイトヤムにおける窒素固定の可能性を検討した。実験はナイジェリアの国際熱帯農業研究所(International Institute of Tropical Agriculture: IITA)で砂質栽培圃場および休閑森林土壌で栽培されたダイジョ 2 系統およびホワイトヤム 8 系統を用いて ARA を示す細菌の分離を試みた。

半流動培地を用いた植物切片の培養試料はホワイトヤム 8 系統すべてで茎,根ともに強いARA 活性を示した。ダイジョでは TDa02/1001,2003, 3001 では茎,根ともに活性を確認できたが,TDa00/1001,2003, 3001 では茎で認められたものの,根では認められなかった。このことから同じ圃場で栽培されたヤムイモの系統間で共生細菌の種類が異なる可能性が示唆され,また,窒素固定細菌と共生度合いが低いヤムイモ系統が存在することが推察された。

次に各ヤムイモ系統の茎,根それぞれの植物切片を接種した培地試料を用いて共生細菌の単離を行った結果,ダイジョ TDa00/1001,2003, 3001 の根以外のすべての試料においてコロニー形成を確認した。各分離細菌株の ARA 測定に供した結果,計 19 菌株で ARA を示し,それらは Kosakonia,Pseudacidovorax,Klebsiella,Azospirillum,Pseudomonas,Mycobacterium, Xanthobacter,Bosea,Rhizobium,Stenotrophomonas および Azoarcus 属と近縁であった。ホワイトヤムから窒素固定能を持つ細菌の分離に初めて成功した。

第 5 章 窒素の安定同位体を利用したホワイトヤムの窒素固定能の評価
第 4 章でナイジェリア産のダイジョ,ホワイトヤムにおいても窒素固定能を持つ細菌との共生が確認され,これらの細菌が植物生育促進能を持つことを期待された。ダイジョのようにホワイトギニアヤムも窒素固定が生育に関与している可能性が考えられたことか
ら,ナイジェリア産ホワイトヤム 6 系統について δ15N を用いて窒素固定能について調査した。

ナイジェリアの IITA において,ホワイトヤム 6 系統を用いて圃場栽培を行った。葉の δ15Nを測定した結果,茎葉繁茂期における無施肥栽培の 6 系統の葉の δ15N は 1.38~3.49‰を示した。δ15N は対照作物であるカボチャが 3.38‰で,ホワイトヤムの DrDRS074 およびDrDRS020系統がカボチャよりも低かった。窒素固定寄与率は 45.5~-4.7%と系統間で差がみられ,大気由来窒素の集積量は DrDRS074 で最も多く 0.52 g/ plant DW であった。以上の結果から,ホワイトヤムでは窒素固定能の系統間差異が認められた。さらに,茎葉繁茂期における窒素固定寄与率と大気由来の窒素集積量は地上部乾物重と強い正の相関を示した。一方で,窒素固定寄与率および大気由来の窒素集積量と 12 月の塊茎乾物重との間に有意な相関関係はなかった。このことから,ホワイトヤムにおける窒素固定は特に茎葉繁茂期の地上部生育に寄与していることが考えられた。

以上の結果から,ダイジョ及びホワイトヤムの生育に窒素固定細菌の共生が関与すること が明らかになり,ヤムイモの栽培における窒素固定細菌の利用に道を開くものと期待される。

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