51探花

【本学研究者情报】

〇生命科学研究科　特任教授　南泽究

【概要】

地球温暖化の一因となる一酸化二窒素(N₂O)は农地からも発生しており、その発生を抑制する方法が世界中で模索されています。农研机构、东北大学、帯広畜产大学、理化学研究所の共同研究グループは、N₂Oを分解する能力の高い根粒菌をダイズに优占的に共生させる技术を开発しました。この技术によって、土壌中でダイズ根粒が崩壊する过程で放出されるN₂Oの量が减少することを确认しました。ダイズほ场からのN₂O放出を抑えることで、地球温暖化の抑制に贡献することが期待されます。

N₂翱は二酸化炭素の265倍の温室効果を示す主要な温室効果ガスの1つです。人类の食を支える农业活动は人為的N₂O排出量の约60％を占め（IPCC第5次评価报告书2013より）、その中でも农地からの放出が大きな割合を占めています。窒素は植物の生长に必须な栄养源ですが、作物栽培のために农地に投入される大量の窒素肥料や、収穫されずに残る作物残さからN₂Oが発生することが知られており、农地からのN₂O放出量を削减する技术の开発は、世界的に重要な课题となっています。

土壌微生物である根粒菌は、ダイズなどのマメ科植物が根に形成する根粒の内部に共生（根粒共生^1）)して、大気中の窒素を栄养分として植物に供给する有用微生物です。さらに、一部の根粒菌は、N₂Oを窒素へと分解する能力をもっています。窒素は大気の主要成分であり、温室効果に直接的な影响を与えることはありません。

そこで、高いN₂O分解能力をもつN₂O削减根粒菌をダイズに接种して共生させることにより、ダイズの収穫后、根粒が崩壊する过程で放出されるN₂Oを削减する试みがなされてきました（図1）。しかし、ほ场の土壌中には多种多様な土着根粒菌が存在し、その多くはN₂O分解能力をもたないか、弱い能力しかもっていません（図1）。ほ场にダイズを植え、N₂O削减根粒菌を接种すると、土着根粒菌との感染竞合が起こり、大多数の根粒には土着根粒菌が共生してしまいます。その结果、N₂O削减根粒菌が共生する根粒の割合が低くなり、N₂O削减能力を十分に発挥できませんでした（図2左）。

そこで农研机构、东北大学、帯広畜产大学、理化学研究所の共同研究グループは、根粒共生にみられる「共生不和合性现象²⁾」を利用して、N₂O削减根粒菌が共生する根粒の割合を高めたダイズ共生系を开発しました。不和合性现象とは、特定の「不和合性遗伝子」をもつダイズが、特定の根粒菌が分泌する「エフェクター」と呼ばれるタンパク质を认识して、その根粒菌の感染をブロックし、根粒の形成を阻止する现象です。共同研究グループは、2種類の不和合性遺伝子をあわせもつダイズを作出するとともに、 自然変異によりエフェクターを作らなくなったN₂O削减根粒菌を选抜し、両者を组み合わせました。この组み合わせにより、エフェクターを作らないN₂O削减根粒菌は、不和合性遗伝子をもつダイズに优占的に共生することができます（図2右）。

その効果を実験室で调べたところ、不和合性遗伝子をもつダイズでは、N₂O削减根粒菌が共生する根粒の割合（根粒占有率）が90％以上となり、土壌から放出されるN₂O放出量は、不和合性遗伝子をもたないダイズの15％にまで减少しました。さらに、ほ场试験においてもN₂O削减根粒菌の根粒占有率は64％となり、N₂O放出量は、N₂O削减根粒菌を接种していない试験区の26％にまで减少しました。

ダイズは、食料や饲料、油粮作物として世界中で幅広く栽培されています。もともとダイズの栽培は温室効果ガスの放出が少ない食料生产システムですが、本研究で开発した技术によって、ダイズほ场から放出されるN₂O量が大きく削减されることで、环境负荷の少ないダイズ生产が可能となり、地球温暖化の抑制に贡献できると考えられます。

本成果は、科学誌「Nature Communications」(2025年9月4日)に発表されました。

図1　N₂O削减根粒菌と土着根粒菌
根粒菌はダイズの根に感染し、形成された根粒の内部に共生します。ダイズ収穫后、根粒が老化?崩壊する过程で根粒菌が土壌中に放出されます。その际に老化根粒に由来する窒素源から狈₂翱が発生します。土壌中に放出された根粒菌のうち、狈₂翱削减根粒菌は土壌中のN₂Oを窒素（N₂）に分解し、狈₂翱の発生量を削减することができます。一方、土着根粒菌の多くはN₂O分解能力をもたないか、能力が弱いため、狈₂翱削减根粒菌のように土壌からの狈₂翱の発生量を削减することができません。

【用语解説】

1) 根粒共生
ダイズなどのマメ科植物は、土壌细菌である根粒菌との相互作用によって、根に「根粒」とよばれるコブ状の器官を形成します。根粒の中に共生した根粒菌は、大気中の窒素をアンモニアへと変换（窒素固定）し、宿主植物へ窒素栄养として供给します。その代わりに、植物が生产した光合成产物を受け取ります。时间経过とともに根粒は老化し、やがて崩壊して、根粒に含まれる窒素源や根粒菌が土壌中に放出されます。

2) 共生不和合性現象
特定のダイズ品种が、特定の根粒菌の感染を阻止する现象です。根粒菌は「エフェクター」と呼ばれる分泌タンパク质を作り、ダイズに感染を试みる际に植物の细胞内に分泌します。根粒菌の种类により分泌するエフェクターの种类は异なります。
一方、ダイズでは根粒菌のエフェクターを认识して感染を阻止する「不和合性遗伝子」が复数同定されており、品种によって保有している遗伝子の种类が异なります。
共生不和合性は、特定のエフェクターと不和合性遗伝子の组み合わせによって発动し、ダイズの不和合性遗伝子に认识されるエフェクターを作る根粒菌の感染は阻止されます。

【论文情报】

タイトル：Genetic design of soybean hosts and bradyrhizobial endosymbionts reduces N2O emissions from soybean rhizosphere
着者：Hanna Nishida, Manabu Itakura, Khin Thuzar Win, Feng Li, Kaori Kakizaki, Atsuo Suzuki, Satoshi Ohkubo, Luong Van Duc, Masayuki Sugawara, Koji Takahashi, Matthew Shenton, Sachiko Masuda, Arisa Shibata, Ken Shirasu, Yukiko Fujisawa, Misa Tsubokura, Hiroko Akiyama, Yoshikazu Shimoda, Kiwamu Minamisawa, Haruko Imaizumi-Anraku
掲载誌：Nature Communications (2025)　
DOI:

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问い合わせ先

（研究に関すること）
东北大学大学院生命科学研究科
特任教授　南泽究
TEL: 022-217-5714
Email: kiwamu.minamisawa.e6*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（报道に関すること）
东北大学大学院生命科学研究科広報室
高桥さやか
TEL: 022-217-6193
Email: lifsci-pr*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）