ダイズと根粒菌の共生の重要性。農作物にも環境問題にも影響を及ぼす！？

ダイズの根を掘り上げると、小さなこぶのようなものが付いていることがあります。これは「根粒」と呼ばれるもので、その中には根粒菌という細菌がすみ、ダイズの生育を支えています。

根粒菌の重要な役割は、空気中の窒素を、ダイズが養分として利用できる形に変えることです。さらに近年では、根粒菌の働きを利用して、農地から発生する温室効果ガスを減らす研究も進められています。

根粒菌とは

ダイズと根粒菌の共生の重要性。農作物にも環境問題にも影響を及ぼす！？｜画像１

根粒菌は、土壌中に生息する細菌の一種です。主にダイズなどのマメ科植物の根に入り込み、植物と協力して「根粒」と呼ばれる器官をつくります。

根粒の中で暮らす根粒菌は、空気中の窒素をアンモニアに変え、植物が利用できる窒素養分として供給します。この働きを「窒素固定」といいます。

窒素は、葉や茎、タンパク質などをつくるために欠かせない元素です。しかし、大気の約8割を占める窒素ガスを、植物はそのまま吸収して利用することができません。そこで根粒菌が、植物と大気中の窒素をつなぐ役割を果たします。

一方で、ダイズは光合成によってつくった糖などを根粒菌に渡します。根粒菌は植物からエネルギー源を受け取り、代わりに窒素を供給します。このように、異なる生物が互いに利益を得ながら暮らす関係を「共生」といいます。

根粒菌は、「ニトロゲナーゼ」という酵素を使って窒素固定を行います。ただし、この酵素は酸素が多い環境ではうまく働けません。

一方、根粒菌が活動するためのエネルギーを得るには酸素も必要です。そこでダイズは、根粒の中につくられる「レグヘモグロビン」という物質によって酸素濃度を調節しています。レグヘモグロビンが酸素と結び付くことで、ニトロゲナーゼが働ける低酸素の環境を保ちながら、根粒菌の呼吸に必要な酸素も供給します。

活発に窒素固定を行っている根粒を切ると、内部が赤色や赤桃色に見えることがあります。これはレグヘモグロビンの色によるものです。

ダイズは子実に多くのタンパク質を含むため、その生産には多量の窒素が必要です。根粒菌による窒素固定は、その窒素を確保するうえで重要な役割を担っています。

また、化学肥料の原料となるアンモニアの製造には、多くのエネルギーが必要になるのですが、大気中の窒素を自然条件に近い環境でアンモニアに変える根粒菌の働きは、肥料資源や環境負荷を考えるうえでも重要です。

ただし、ダイズ畑に根粒菌が存在すれば、必ず十分な窒素固定が行われるわけではありません。根粒菌にはさまざまな種類や系統があり、ダイズの品種との相性もあります。土壌条件や生育環境によっても、根粒の形成や窒素固定の程度は変わります。

農地から発生する温室効果ガスの一つに、一酸化二窒素（N₂O）があります。N₂Oは地球温暖化への影響が大きく、その排出削減が世界的な課題となっています。

ダイズの栽培では、根粒が古くなって崩壊する過程でもN₂Oが発生します。ダイズを収穫した後、老化した根粒から窒素成分と根粒菌が土壌中に放出されます。この窒素成分が土壌中で変化する過程で、N₂Oが生じることがあります。

ただし、すべての根粒菌が同じ性質を持つわけではありません。根粒菌の中には、N₂Oを大気中にもともと多く存在する窒素ガス（N₂）にまで分解できるものがあります。こうした菌は「N₂O削減根粒菌」と呼ばれます。

N₂O削減根粒菌をダイズに共生させれば、収穫後の圃場から発生するN₂Oを減らせる可能性があります。しかし、単に有用な根粒菌を接種するだけでは十分ではありませんでした。

また、実際にはさまざまな根粒菌のうち、どの根粒菌がダイズへ感染し、根粒の中で優勢になるかも重要です。この「根粒菌同士の競争」が、温室効果ガスを減らす研究でも大きな課題になっていました。

農研機構、東北大学、帯広畜産大学、理化学研究所の共同研究グループは、N₂O削減能力の高い根粒菌を優先的に共生させる、ダイズと根粒菌の組み合わせを開発しました。

圃場の土には、もともとさまざまな「土着根粒菌」が生息しています。ダイズにN₂O削減根粒菌を接種しても、土着根粒菌が先に感染してしまえば、目的の菌が入った根粒の割合を十分に高められません。土着根粒菌の多くはN₂Oを分解する能力を持たないか、その能力が弱いため、削減効果も限られます。

そこで研究グループが利用したのが、「共生不和合性」という現象です。ダイズには、根粒菌が分泌する特定のタンパク質を認識し、その菌の感染を防ぐ遺伝子があります。

研究グループは、2種類の不和合性遺伝子を持つダイズを作出しました。さらに、自然に起きた変異によって、ダイズに認識されるタンパク質をつくらなくなったN₂O削減根粒菌を選び出しました。

この両者を組み合わせると、多くの土着根粒菌はダイズへの感染を阻止されます。一方、選抜されたN₂O削減根粒菌は感染を回避し、優先的に根粒をつくることができます。いわば、ダイズ側の性質を利用して、共生する根粒菌を選び分ける仕組みです。

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