東京大学大学院農学生命科学研究科土壌圏科学研究室

低炭素社会実現プロジェクト

作物生産に由来する温室効果ガス排出を削減して
低炭素社会実現に貢献する土壌管理技術の開発

窒素施肥すなわちエネルギー投入を削減した水稲生産を可能にする技術 ならびに、農地からの温室効果ガスN₂Oの排出を削減する技術の開発と実用化のための基礎・応用研究を進めています。 いずれも、土壌が元々持っている生物的機能を簡易な手法で強化することにより農業由来の温室効果ガス排出を削減する、革新的で実用的な土壌管理技術です。

鉄還元菌窒素固定の増強による低肥料水稲生産（鉄で土を肥やす！低窒素農業）

概要

水田土壌においては、土壌細菌による窒素固定反応が窒素肥沃度維持の基盤となっています。近年、私達はオミクス解析によって、水田土壌における窒素固定のキープレーヤーがこれまで見落とされてきた鉄還元菌である可能性を示しました。 そして、これまで水田土壌からの単離例が皆無で生理性状が不明であった鉄還元菌を単離し、多くの新種/新属を提唱するとともに、単離した菌株の窒素固定活性を実証しました。また、鉄還元菌は酸化鉄を電子受容体として生育し、窒素固定を行うことも明らかにしました。 さらに、水田土壌に鉄酸化物を添加することによって対照区よりも有意に高い窒素固定活性が検出され、同時に鉄還元菌由来の窒素固定遺伝子の転写産物の増加を確認しました。圃場試験においても、鉄施用区では土壌の窒素固定活性が対照区よりも高まり、窒素施肥量を減らしても水稲収量が維持されました。
本技術は窒素施肥量を低減し、環境への窒素負荷を軽減する水稲生産技術（低窒素農業）への応用が見込まれます。さらに、窒素肥料製造に伴う二酸化炭素排出量削減ならびに水田土壌からのメタン排出削減にもつながり、「低炭素社会」実現への貢献も期待されます。
この研究は、農学部広報誌「弥生」の Yayoi Highlightで紹介されました。

詳細

水稲の生育は水田土壌の窒素肥沃度（地力窒素）に大きく支えられています。これまで水田土壌への窒素供給経路として、光合成細菌や根圏細菌による窒素固定反応が注目されてきました。 しかし近年、新潟水田土壌を対象としたメタトランスクリプトーム解析により、私達はこの既往概念を覆す発見に至りました。この解析において、Deltaproteobacteria綱の鉄還元菌（ Anaeromyxobacter, Geobacter属細菌）由来の窒素固定遺伝子（ nif）転写産物が最も高頻度に検出されたのです。 また、日本各地の水田土壌を対象としたメタゲノム解析においても、これら鉄還元菌由来の窒素固定遺伝子が高頻度に検出されました。これらのことから、「鉄還元菌による窒素固定」は水田土壌全体における普遍的事象である可能性が考えられました。

これらの鉄還元菌はこれまで水田土壌からの単離例が全く無く、水田土壌由来の鉄還元菌が窒素固定能を保有しているかについては不明であったことから、まず単離を試みました。その結果、得られた鉄還元菌のほとんど全てが新種もしくは新属に分類され、さらに窒素固定活性を示しました。 中でも Anaeromyxobacter属細菌の窒素固定能はこれまで全く示されていませんでしたが、同属細菌が培地中だけでなく土壌中においても窒素固定能を発揮することを証明しました。さらに、単離した新属新種の鉄還元菌を追加したデータベースを構築して日本各地および世界各地の土壌メタゲノム解析を行ったところ、 水田土壌だけでなく様々な土壌環境において窒素固定菌の中で鉄還元菌が優占していることが明らかになりました。さらに、安定同位体を用いた解析によって、鉄還元窒素固定菌が水田において活発に窒素固定を行っており、生物的窒素固定の中心的な担い手であることを直接的に証明しました。また、窒素肥料を施用しないで35年以上にわたって水稲を栽培し、慣行施肥区の７割もの水稲収量をあげ続けている長期試験水田においても、窒素固定菌の中で鉄還元菌が最も優占しており、窒素固定を行っていることを明らかにしました。

これら鉄還元菌は、Fe(III)を電子受容体、稲わら等の分解から生じる有機酸を電子供与体として生育することが知られています。そこで、室内系水田土壌ミクロコズムにFe(III)化合物（ferryhidrite, Fe₂O₃を添加することによって土壌の窒素固定活性が高まるかどうか検証しました。 その結果、Fe(III)化合物添加区において、対照区よりも有意に高い窒素固定活性が検出され、同時に鉄還元菌由来の窒素固定遺伝子転写産物が検出されました。次に、水田土壌に農業用純鉄粉を散布し、土壌の窒素固定および水稲収量への影響を調査しました。その結果、純鉄粉の施用により鉄還元菌の窒素固定が増強され、土壌の窒素固定活性と窒素固定量が鉄粉施用区において対照区よりも有意に高くなり、水稲収量も10%程度増加しました。さらに、純鉄粉を散布することにより、窒素施肥量を減らしても水稲収量が維持されました。一方、純鉄粉の散布によって水田土壌からのメタン排出量も削減されました。

以上の結果から次のことが結論付けられました。
(1) 鉄還元菌窒素固定は水田土壌の窒素肥沃度維持に重要な役割を果たしており、鉄によって増強できる。
(2) 鉄還元菌窒素固定は窒素施肥量を低減し、環境への窒素負荷を軽減する水稲生産技術（低窒素農業）への応用が可能である。
(3) これは窒素肥料製造に伴う温室効果ガス発生の削減につながり、「低炭素社会」実現への貢献が期待できる。

本技術開発に関連するプロジェクト

【進行中】
【これまでのプロジェクト】

主な原著論文

その他の論文等

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