「微生物・植物・土壌等間の共生および

相互作用の包括的解明と利用技術開発」

微生物・植物・昆虫・土壌小動物・ウイルス・生態・共生進化・土壌肥料・環境科学・ゲノム科学・遺伝資源・栽培・育種など多様な研究分野を糾合する研究領域の構築

倉田 のり

農業・食料産業技術総合研究機構（理事）

国立遺伝学研究所（名誉教授）日本学術会議会員（会員）

資料３

地球との共存基盤としての、微生物・植物・小動物・土壌間の環境科学・生存圏農学

植物生育・生産の最適化 劣悪地球環境の生物的改良

生存環境・農業環境の生物相互作用の全容を知る

新たな生物の相互作用組み合わせによる環境復元力の創成

・生物改良のための技術革新・植物改変による相互作用力増強・多様な生物種の相互作用機能デザイン

植物・昆虫・微生物（菌根菌など）・土壌小動物(線虫など）相互作用の効果的利用

・ 植物・昆虫・微生物・土壌小動物間相互作用因子の解明・ 相互作用の特性分析と利用・ 相互作用生物間ネットワークの解明

メタゲノム解析：ゲノム同定、種・系統分類、相互作用解明、単離培養技術

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菌根菌非接種株（左）接種株（右）

植物の共生微生物は、動物の腸内細菌と同じ

共生なくしては生存困難

「微生物・植物・土壌等間の共生および相互作用の包括的解明と利用技術開発」

植物ホロゲノム解明と利用

「微生物・植物・土壌等間の共生および相互作用の包括的解明と利用技術開発」

「微生物・植物・土壌等間の共生および相互作用の包括的解明と利用技術開発」

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想定される研究課題

➤ 共生マイクロバイオーム解析基盤構築

➤ 植物ホロゲノミクス研究創設と全体像解明

➤ 宿主生物(植物・昆虫等)と微生物間の共生許容及び排除機構の解明

➤ 共生成立による生物の高機能化、高付加価値化の科学的証明

➤ 微生物間、宿主微生物間相互作用から生まれる新規物質同定・機能解析

➤ 難培養微生物の培養（単離・混合）、増殖、保存技術開発

➤ 農作物生産の適正化及び生産性向上につながる基盤情報

➤ 荒廃地改善と緑化：環境復元への基盤技術

➤ ヒト－植物－共生系の制御に基づく安全・安定的農作物生産技術

「微生物・植物・土壌等間の共生および相互作用の包括的解明と利用技術開発」

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「微生物・植物・土壌等間の共生および相互作用の包括的解明と利用技術開発」

期待される主要な研究成果

①微生物－植物－土壌－小動物－水圏等にまたがる共生系の包括的解明

②共生系を介した宿主生物の機能変換・亢進の評価手法及び有用形質の制御技術

③複合微生物系を利用した培養技術および新規物質生産技術

④共生系に関連する微生物、植物等バイオリソースを整備するための技術開発

１、植物にとっての菌根菌は、人間にとっての大腸菌・ ほとんどの動物は、細菌が消化器に共生していないと、食物を分解できず生存も非常に困難である。・ 菌根菌は、栄養分が少ない土からでも植物が自分自身では十分にとれない栄養素や水を補給してくれる、植物にとっての重要な共生細菌である。

２、菌根菌は、９０％以上の植物の根に内部または外部共生し、養分を植物に供給する・ 特に植物のリン酸吸収は、菌根菌の共生に依存して進化して来たため、菌根菌の貧弱な土壌では植物の生育は大きく低下する。

・ 菌根菌は、富栄養下では、共生・増殖が大きく低下し、効果が少ない。大量肥料投入により土壌微生物は激減している。

３、菌根菌は、自然界で最も大量の炭素固定を行っている・ 菌根菌は、植物に養分と水分を供給する代償として、植物から大量の炭素を受け取り増殖する。

４、菌根菌は植物の根を介して土壌中に巨大ネットワークを作る・ 菌根菌は、植物の根と共生・増殖して数センチから数メートルに及ぶ菌根を伸ばし、植物の根を介した巨大ネットワークを形成する。

５、植物共生とは独立に菌根菌の培養が可能に・・・・ 植物との共生状態でしか繁殖できなかった菌根菌の、単独培養が可能となって来た（数年前より）。・ アメリカでは、安価な大量培養が一部成功し、胞子の大量利用が可能になりつつある。・ 胞子の土中接種により、植物生育の劇的な改善が見られる。

植物生育・生態系に不可欠な菌根菌

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「微生物・植物・土壌等間の共生および相互作用の包括的解明と利用技術開発」

植物の根が活発に生長している若い時期に、根の周りに菌根菌の胞子を施用するだけで共生関係が生まれる。土壌中の植物根圏で成長し繁殖する。効果は一週間後には現れ、柑橘類を中心とした果樹、クルミ、アーモンドなどのナッツ類、トマト、イチゴなどでは、数倍の（時には数十倍の）収穫量が得られることが報告されている。

また、菌根菌を接種した植物は、病気、虫害、温度差などへの抵抗性が向上し、厳しい環境下での生存率が高まる。

菌根（きんこん）は、菌類が植物の根に侵入して形成する特有の構造を持った共生体。菌根を作る菌類を菌根菌という。菌根には７つの主要なタイプがあり、それぞれ関与する菌類や植物が異なり、構造も異なる。アーバスキュラー菌根、外生菌根または外菌根、内外生菌根、アルプトイド菌根、モノトロポイド菌根、エリコイド菌根、ラン菌根の７つの主要なタイプと、最近認識されてきたハルシメジ型菌根がある。

菌根菌

http://www.cleanplanet.info/lib/mycorrhiza/mintroduction.htmより

根粒菌

根粒無 根粒有

根粒菌はマメ科植物のみで見られる共生微生物で、マメ科の種ごとに特異的な根粒菌の系統があり、宿主特異性が非常に強い。

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植物体内共生細菌エンドファイトによる植物機能強化・生育促進

菅原幸哉 Mycotoxins Vol.61, 25-, 2011 より引用

生殖過程、多くの種・系統で失われている

無生殖過程、病班なしで感染

エンドファイト（endophyte):

➤植物中に共生する微生物一般を指し、糸状菌型と細菌型がある

➤相利共生により、植物に昆虫、病原菌、乾燥などの抵抗性を与える

➤共生菌は種子を通じて次世代に伝搬される

➤植物体内で隔離・伝搬されてきた共生菌は雑種（異質倍数体）が多く変異が激しい

➤この結果、同属内でも、種や菌系により分泌２次代謝産物が大きく異なる場合が多い

➤休眠胞子ステージをもたないため、種子の長期保存で死滅することが多い

＊エンドファイト分離培養＞新規宿主への人工接種手法開発＞エンドファイト感染牧草実用化＊耐寒性、不良環境耐性のトールフェスク品種の実用化＊コムギ、オオムギ、イネへの適用が試みられている

Neotyphodium属の種：N. LoliiN. coenophialumN. UncinatumN. occultansetc.

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➤ Sato et al.,1994 ラオス乾燥・急斜面・貧栄養地域でたわわに実る陸稲を発見（こしひかりの1.5倍ほどの粒大x200-300粒／穂）

➤エンドファイトの可能性の指摘 : Elbeltagy et al., 2001, Minamisawa et al., 2004.

東北大学総合学術博物館より引用

➤土壌中、海中を中心に５０万種の生息が推定されている➤連作障害の要因の一つ➤全世界の作物生産の１０％以上が線虫被害により失われている➤３０万種の陸上植物に、それぞれ特異的線虫が寄生しているとも言われる➤表層より１mまでの土壌中に含まれる生物としては、最も重い総重量を示す➤対抗作物： 線虫の種により、忌避植物が効果のある事も知られているネコブセンチュウにはギニアグラス、クロタラリア、ネグサレセンチュウにはマリーゴールドやエン麦野生種など。

➤体長1mm以下➤細菌・微生物を餌とする➤培養は極めて困難➤2011年、地下３．６Kmでの生息を確認、数千年以前からの生息と見られる➤2012年、線虫を餌とする食虫植物の存在が明らかにされた

写真：農業・食品産業技術総合研究機構中央農業総合センター病害虫検出同定法研究チーム相場聡 氏による

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線虫

「微生物・植物・土壌等間の共生および相互作用の包括的解明と利用技術開発」

生物共生研究におけるこれまでの成果例１

TML基礎生物学研究所農業生物資源研究所

PNAS (2014)

基礎生物学研究所理化学研究所CSRSNature Commun(2014)

・病原体に対する植物の免疫システム

・植物には特定微生物に自らの体内に感染、共生を許すシステムが存在することが判明

・共生関係が植物の生育・機能を補い、向上

・農作物の増収・品質向上への期待

植物は自分の身体に棲んで良い微生物を制御しており、宿主と共生微生物の双利共生を維持している。

（図：基生研press release より引用）

生物共生研究におけるこれまでの成果例２

根粒菌とマメ科植物の共生(根粒形成)は植物生育を向上

させる→収量向上

根粒有根粒無

←根粒

東北大学と農業環境技術研究所研究グループが植物共生微生物である根粒菌とを使って温室効果ガスを削減できるということを世界で初めて実証

Nature Climate Change 3 (2013)

新規発見：環境問題解決への共生利用

生物共生研究におけるこれまでの成果例３

共生細菌により昆虫が餌にできる植物種が変わる

共生細菌PAUSがいないと餌にできない

エンドウヒゲナガ

アブラムシ

カラスノエンドウ シロツメクサ

共生細菌PAUS*がいなくても餌にできる

Science 303(2004)

マルカメムシ タイワンマルカメムシ

ダイズを食べない

腸内細菌交換

共生細菌による害虫化と非害虫化

マルカメムシ タイワンマルカメムシ

ダイズを食べない

ダイズを食べる

ダイズを食べる

タイワンマルカメムシの腸内細菌

マルカメムシの腸内細菌

非害虫化 害虫化

Proceedings of the Royal Society B (2007)

産業技術総合研究所生物共生相互作用研究グループによる成果

害虫非

害虫

*Pea Aphid U-type Symbiont（γプロテオバクテリアに属する未記載共生細菌）

モンサント社(農業バイオ企業)とノボザイム社(産業用酵素)による農業バイオテクノロジーにおける業務提携「BioAg Alliance」が「植物マイクロバイオーム」に注目

欧米では数年前からPlant microbiome/

Phytobiomeの概念

米国NIHによる

ヒトマイクロバイオームプロジェクト（2008～）

海外における生物共生研究分野の動向

網羅的な環境マイクロバイオーム研究（参加型）

マイクロバイオームは地域（国）、環境、条件で異なるために欧米の知見が

すぐに日本で利用可能ではない

→日本における

マイクロバイオーム研究開発が必要

海外における生物共生研究分野の動向

agbiome HP

モンサント社(農業バイオ企業)とノボザイム社(産業用酵素)による農業バイオテクノロジーにおける業務提携「BioAg Alliance」が「植物マイクロバイオーム」に注力

植物関連微生物の農業利用に向けて微生物株収集に参入

※日本の代表的微生物保存機関の保有微生物株数：NBRC(約30,000)、理研JCM(25,000)、MAFF(約24,000)

(計72,000株)

(計25,000株)

一年半で約24,000株の植物関連微生物株（自社分離＝ユニーク株）を収集

世界的なバイオリソース機関よりも

ユニーク株の多さを強調

ヒトマイクロバイオームプロジェクト(米国NIH：2007(H19)～約180億円/5年)

国内外における生物共生研究施策の動向

ACCEL: H26～共生ネットワークの分子基盤とその応用基盤

（菌根菌社会実装）

CREST: H14～H20共生ネットワークの分子基盤（根粒菌・菌根菌）

Elizabeth & Segre 2011

人体には約600兆細胞の常在菌が生息(大部分は腸内細菌で約1,000種類)

農水省委託事業: H16～H20生物機能を活用した環境負荷低減技術の開発

国内

微生物共生

海外

基礎研究成果

連携

農業

食品

環境

関連規制：・農薬取締法・肥料取締法、等

科研費特定領域: H17～H21微生物ゲノムシーケ

ンシング体制の活用による微生物システム解明への基盤構築(服部正平)

H14：かずさDNA研究所根粒菌ゲノム解読

Terragenome(土壌メタゲノム)プロジェクト米国、カナダ、フランスが参画(2008～、2011～NSF支援

地球マイクロバイオームプロジェクト地球上の20万箇所(サンプル)のメタゲノムデータを収集中

(賛同者協力型国際プロジェクト)

研究推進の方法のイメージ

研究推進基盤領域

植物生産力向上研究拠点における三研究領域「植物能力開発研究領域」、「共生機能研究領域」、「土壌機能研究領域」における、研究効率化のために支援業務に努める。各領域における共通技術基盤(分子生物学的手法、)を構築し、各領域の支援と領域横断型研究を推進する役割を担う。

分子生物学的手法支援

メタボロミクス

支援プロテオミクス支援

領域共通技術支援メニュー（バイオインフォマティクス・トランスオミクス等）

バイオインフォマティクス支援

NGS解析支援（ゲノム・メタゲノム・RNA-seq等）

微生物の培養・保存管理

土壌分析

植物の遺伝子組換え及び組織培養技術支援

気象(環境)データ解析

領域特有技術支援メニュー

植物栽培管理・圃場管理

共生機能研究領域植物能力開発研究領域 土壌機能研究領域♥微生物の培養・保存♥昆虫等小動物の飼育♥共生ネットワークモデル構築･･･等

♣実験植物の栽培管理♣遺伝子組換え株作製・組織培養♣植物オミクスデータの解析･･･等

支援

支援

拠点間連携の推進

支援

イメージング・

モニタリング支援

データベース構築・運用

♠土壌メタゲノム抽出・解析♠土壌特性分析♠気象(環境)データ測定･･･等