プレスリリース
(研究成果) 植物由来の物質が土壌中の硝化を抑制する分子メカニズムを世界で初めて解明

窒素は農業において不可欠な栄養分であり、窒素肥料の使用は世界中で農業生産を支えています(図1)。しかし、窒素肥料の過剰な使用には以下のような深刻な問題が伴います。

• 窒素肥料の損失
  窒素は形態による違いがあり、肥料に使われる窒素には硝酸態窒素とアンモニア態窒素があります。畑の作物の大部分は硝酸態窒素の形で窒素を吸収しますが、土壌に吸着されることなく、水に溶けて拡散することから、流出による影響が大きくなります。一方、アンモニア態窒素は土壌中に吸着しやすく流出しにくいですが、土壌微生物による硝化で硝酸態窒素に変わるため、作物が吸収できる量を超えて施用されると土壌から流出します。
• 水系の汚染
  流出した硝酸態窒素は地下水から河川、湖などの水系を通って海に流れ込み、これらの水域で富栄養化を引き起こします。
• 温室効果ガスの排出
  必要以上に施用されたアンモニア態窒素は硝化の過程で、二酸化炭素の約300倍の温室効果を持つN₂Oを生成します。人類の放出するN₂Oの約半分は農地由来とされています。

硝化抑制剤はこれらの問題を軽減できます。硝化抑制剤は窒素肥料の効率的な利用を目的に化学合成資材として開発され、世界中で使われています。しかし残留性や揮発性、効果の持続性の問題が指摘されており、こうした欠点を克服する新剤の開発は進んでいません。

クルミ科植物が持つJugloneについて、酵素HAOの働きを阻害することにより硝化を抑制していることを明らかにしました。硝化抑制剤が標的となる酵素の機能を阻害する仕組みを分子レベルで解明したのは世界で初めてになります。実験結果の詳細は以下のとおりです。

• Jugloneは硝化菌の硝化を抑制する
  硝化菌はアンモニアを亜硝酸に変換します。硝化菌にアンモニアを与えて培養して、アンモニアの消費と亜硝酸の生成を測定すると、3日間の培養でアンモニアが完全になくなり同じ量の亜硝酸が発生しました。しかし、Jugloneを与えるとこの反応が完全に止まりました(図3)。
  

  

• Jugloneによる硝化抑制は、酵素HAOからCytc₅₅₄へ渡るはずの電子を奪うことで起きる
  硝化菌はアンモニアを別の酵素であるアンモニアモノオキシゲナーゼ(AMO)⁷⁾でヒドロキシルアミンに変換してからHAOで亜硝酸に変換します。このときHAOは電子をCytc₅₅₄に渡します。試験管内でヒドロキシルアミンとHAOを混ぜても、電子を受け取る電子受容体がないとHAOはヒドロキシルアミンから亜硝酸を作ることができませんでした。一方、人工電子受容体(PMS)を添加すると、亜硝酸が生成しました。PMSのかわりにJugloneを添加しても亜硝酸が生成したので、Jugloneも電子受容体であると考えられます(図4)。
  

  

  試験管内でヒドロキシルアミン、HAOとCytc₅₅₄を混ぜると、ヒドロキシルアミンが酸化されて亜硝酸になり、その時生成された電子がCytc₅₅₄に受け渡されます。電子を受容するとCytc₅₅₄の吸光スペクトルに変化が起こりますが、Jugloneを加えるとこの変化はJugloneの濃度に反比例して弱くなります。これは、JugloneがCytc₅₅₄に渡されるはずだった電子を奪っていることを示しています。硝化菌の中ではCytc₅₅₄はHAOから受け取った電子の半分を呼吸系に、もう半分をAMOに渡して、AMOはこの電子を使ってアンモニアをヒドロキシルアミンに変換します。Jugloneがこの電子を奪うと硝化菌はAMOによってアンモニアをヒドロキシルアミンに変換できなくなります。さらに呼吸系も止まるので、硝化菌は活動できなくなります(図2)。
• Jugloneは酵素HAOに結合し、即座に電子を受け取る
  Jugloneが結合したHAOの立体構造をX線結晶構造解析により決定しました。JugloneはHAOの触媒部位にあるヘム⁸⁾分子の近くに結合していて、ヒドロキシルアミンが結合する場所からも3.9オングストローム(1オングストロームは1,000万分の1 mm)と近い位置にありました(図5)。Jugloneはヒドロキシルアミンが亜硝酸に変換する際に生成する電子を即座に受け取ると考えられます。