プレスリリース
(研究成果) 温室効果ガス削減効果を高めたダイズ・根粒菌共生系を開発

一酸化二窒素(N₂O)は、二酸化炭素の265倍もの温室効果をもつガスであり、その排出量は過去数十年間にわたって増加し続けています。この増加の主要な原因のひとつは、農業の拡大です。農地に投入された大量の窒素肥料や、収穫後に残る作物残さがN₂Oの発生源となっています。人口増加に伴い食料生産が拡大し続けるなか、農地からのN₂O放出量を削減する技術の開発は、世界的に重要な課題となっています。

窒素は植物の生長に必須な栄養源であり、大気中に大量に存在しますが、多くの植物は大気中の窒素を直接利用することができないため、作物を生産する際には大量の窒素肥料が使用されます。窒素肥料の生産は化石燃料の消費や二酸化炭素の排出などの環境負荷を伴います。

一方、ダイズなどのマメ科植物は、根に根粒菌が感染すると根粒を形成し、根粒の内部に共生している根粒菌が大気中の窒素をアンモニアに変換する窒素固定を行います。固定された窒素を栄養源として利用できるため、ダイズ栽培は少ない窒素肥料で食料を生産できるという利点があります。

しかしながら、ダイズを刈り取った後、土壌中に残った根粒が老化・崩壊する過程で、根粒に含まれる窒素源が土壌に放出され、土壌中の微生物によってN₂Oへと変換されるため、ダイズほ場からN₂Oが発生してしまいます。ダイズほ場からのN₂O発生量を削減することで、より環境負荷の少ない作物生産が可能になると考えられます。

一部の根粒菌はN₂O還元酵素³⁾をもち、N₂Oを窒素へと分解する能力を有しています。窒素は大気の主要成分であり、温室効果に直接的な影響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削減根粒菌を、ほ場で栽培しているダイズに接種することで、老化・崩壊した根粒に由来するN₂Oの放出量を削減する試みがなされてきました。しかし、ほ場の土壌中には様々な種類の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、能力が低い根粒菌です(図1)。接種したN₂O削減根粒菌は、土着根粒菌との感染競合に敗れてしまい、ダイズに形成される根粒の大部分は土着根粒菌が共生してしまいます(図2左)。土着根粒菌のN₂O分解能力は低いため、N₂O削減根粒菌が共生している根粒の割合が低いと、N₂O削減能力を十分には発揮することができません。

そこで、N₂O削減根粒菌が共生する根粒の割合を高めた根粒共生系を開発することで、N₂O削減根粒菌によるN₂O削減効果を最大化できるのではないかと考えました(図2右)。

①土着根粒菌の感染を阻止する不和合性遺伝子集積ダイズの作出

根粒共生において、特定のダイズ品種に特定の根粒菌が感染できない「共生不和合性現象」が知られています。これは、「不和合性遺伝子」をもつダイズ品種が、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質を認識することで、その根粒菌の感染を阻止する現象です。

日本に生息する土着根粒菌の多くはNopP₆、NopP₁₁₀またはNopP₁₂₂というエフェクターを作ります。一方、不和合性遺伝子NNL1遺伝子をもつダイズ品種はNopP₆およびNopP₁₁₀エフェクターを作る根粒菌の感染を、不和合性遺伝子Rj2遺伝子をもつダイズ品種はNopP₁₂₂エフェクターを作る根粒菌の感染を、それぞれ阻止することが知られています(図3)。そこで、土着根粒菌の感染を阻止するために、Rj2遺伝子をもつダイズ品種「ぼんみのり」とNNL1遺伝子をもつ「カラスマメ」を交配し、Rj2遺伝子とNNL1遺伝子を両方もつ不和合性遺伝子集積ダイズを作出しました。

②エフェクターを作らない不和合性回避型N₂O削減根粒菌の選抜

日本のダイズほ場から、高いN₂O分解能力をもつN₂O削減根粒菌(Bradyrhizobium ottawaense)を複数株単離しました。これらの根粒菌はNopP₁₂₂エフェクターを作るため、不和合性遺伝子集積ダイズに接種すると、ダイズがもつRj2遺伝子の働きによって感染が阻止されてしまいます。

そこで我々は、自然変異によりNopP₁₂₂エフェクターを作らなくなったN₂O削減根粒菌を選抜しました。このエフェクターを作らない根粒菌は、不和合性遺伝子による感染阻止を回避し、不和合性遺伝子集積ダイズに多数の根粒を形成したことから、「不和合性回避型N₂O削減根粒菌」と名付けました(図4)。

③N₂O削減根粒菌が優占して共生するダイズ根粒共生系の開発

作出した不和合性遺伝子集積ダイズと不和合性回避型N₂O削減根粒菌を組み合わせることで、土着根粒菌の感染を阻止し、N₂O削減根粒菌が共生する根粒の割合を高めることができました。これにより、N₂O削減根粒菌が優占して共生する根粒共生系を開発しました(図5)。

土着根粒菌が存在する状況でも、不和合性回避型N₂O削減根粒菌が優占してダイズに共生するかを調べるために、NopP₆、NopP₁₁₀およびNopP₁₂₂エフェクターをもつ3種類の競合根粒菌(Bradyrhizobium japonicum USDA6、Bradyrhizobium diazoefficiens USDA110およびUSDA122)と不和合性回避型N₂O削減根粒菌1種類の合計4菌株を等量で混合し、不和合性遺伝子集積ダイズと不和合性遺伝子をもたないダイズに接種しました。

それぞれのダイズに形成された根粒内に共生している根粒菌の種類とその割合(占有率)を調べた結果、不和合性遺伝子をもたないダイズではN₂O削減根粒菌の占有率が55%だったのに対し、不和合性遺伝子集積ダイズでは92%まで上昇しました(図6A)。さらに、ダイズの地上部を切断して根粒の老化を促し、根粒を含む土から発生したN₂O放出量を測定した結果、不和合性遺伝子集積ダイズでは、不和合性遺伝子をもたないダイズの15%しかN₂Oを放出していないことがわかりました(図6B)。

④N₂O削減根粒菌を利用したダイズほ場からのN₂O放出量の削減

東北大学のほ場(宮城県)において、不和合性遺伝子集積ダイズを栽培し、エフェクターを作らない不和合性回避型N₂O削減根粒菌の非接種、および、接種試験区において、根粒占有率とN₂O放出量を測定しました。

その結果、不和合性回避型N₂O削減根粒菌を接種した区では、N₂O削減根粒菌の根粒占有率が64%まで上昇しました(図7A)。さらに、ほ場からのN₂O放出量は、非接種区の26%程度にまで減少しました(図7B)。これらの結果から不和合性遺伝子集積ダイズとエフェクターを作らない不和合性回避型N₂O削減根粒菌を組み合わせることで、N₂O削減根粒菌のダイズ根粒占有率を向上させ、ダイズほ場からのN₂O放出量削減効果を高められることが明らかになりました。

根粒の内部に共生した根粒菌は、大気中の窒素を変換し、植物に栄養源として供給することから、根粒共生は化学肥料の使用量を削減した作物生産の実現に貢献できると考えられます。

さらに、本研究で開発した、N₂O分解能力の高い根粒菌をダイズに優占的に共生させるシステムを活用することにより、ダイズほ場からのN₂O放出量を削減できることが示されました。

ダイズは世界中で広く栽培されており、需要の増加に伴ってその作付面積も拡大しています。現在我々は実際に食用として栽培されているダイズ品種への不和合性遺伝子集積を進めています。本研究の成果を活用することで、ダイズほ場からのN₂O放出量を削減し、地球温暖化の抑制に貢献できると考えています。