Modeling the post-Koch ecosystem

• Project Area: Post-Koch Ecology: The next-era microbial ecology that elucidates the super-terrestrial organism system
• Project/Area Number: 19H05687
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 高谷 直樹 筑波大学, 生命環境系, 教授 (50282322)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小林 達彦 筑波大学, 生命環境系, 教授 (70221976) ; 大津 厳生 筑波大学, 生命環境系, 准教授 (60395655) ; 林 久喜 筑波大学, 生命環境系, 教授 (70251022)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥176,800,000 (Direct Cost: ¥136,000,000、Indirect Cost: ¥40,800,000); Fiscal Year 2023: ¥33,670,000 (Direct Cost: ¥25,900,000、Indirect Cost: ¥7,770,000); Fiscal Year 2022: ¥33,670,000 (Direct Cost: ¥25,900,000、Indirect Cost: ¥7,770,000); Fiscal Year 2021: ¥33,670,000 (Direct Cost: ¥25,900,000、Indirect Cost: ¥7,770,000); Fiscal Year 2020: ¥33,670,000 (Direct Cost: ¥25,900,000、Indirect Cost: ¥7,770,000); Fiscal Year 2019: ¥42,120,000 (Direct Cost: ¥32,400,000、Indirect Cost: ¥9,720,000)
• Keywords: 微生物機能 / 圃場 / 微生物 / オミクス

Outline of Research at the Start

微生物の種と生理機能に基づいて生態系を理解する世界初のポストコッホ機能生態系のモデルを提唱するために、長期安定して運用されている特定のモデル圃場（畑作施肥試験圃）を設定し、その環境情報（土壌等情報）と基本となる微生物情報（各種オミクス情報）を集積する。本計画研究は、これらを領域内で共有するプラットフォームを創成する。また、圃場生態系微生物の新たな種と機能の解明も行う計画である。

Outline of Annual Research Achievements

微生物の種と生理機能に基づいて生態系を理解する世界初のポストコッホ機能生態系のモデルを提唱するために、長期安定して運用されている特定のモデル圃場（畑作施肥試験圃）を設定し、その環境情報（土壌等情報）と基本となる微生物情報（各種オミクス情報）を集積することも目指して研究を行った。具体的には、本計画研究では、これらを領域内で共有するプラットフォームのもととなるデータの蓄積を進めている。
ポストコッホ機能生態系のモデルを提唱するためには、特定のモデル圃場の環境コンテキストと基本となる微生物メタ情報を集積することが重要である。そこで、総括班とともに筑波大学内に設定したモデル圃場において、コムギ、ソバ（2期目）、青刈りライ麦の作付を行った。ここから土壌試料を採取し微生物叢と土壌化学成分の解析を行った。また、作物情報や気象情報等の環境コンテキスト情報を取得・整理した。2019年のソバ作付け時のバイオインフォマティクス解析を行い、施肥条件による微生物叢変化の発見についての論文を投稿した。また、多様な微生物の機能を一つでも多く解明する領域の目標に従い、特に未解明なヘテロ環化合物の代謝微生物の分離・培養、それらの分解酵素・遺伝子・分解機構の多様性の解明を進めた。具体的には、植物に由来するビタミンと特殊な配糖体を代謝する微生物を発見し、代謝の鍵となる酵素と遺伝子の単離と機能解明を行った。さらに、計画班A01-1と共に新たなマイクロ培養デバイスを作成し、一細胞隔離培養、レプリカ作成の技術を構築した。これは、本領域による生態系微生物の新たな種と機能の解明に大きく貢献するものである。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

モデル圃場の生態系データについては、計画通りに取得できている。総括班の協力を得て、班員への提供も進められた。生態系データの情報解析についても昨年度までの遅れを取り戻し、論文投稿に至った。微生物機能の解明については、当該代謝を担う微生物の分離と培養特性の解析、責任酵素遺伝子の発見に至った。またこの成果の一部を論文公表できた。

Strategy for Future Research Activity

本計画研究は、領域期間を通してモデル圃場の微生物叢、土壌化学分析、気象データ、作物情報などを取得することが最大の達成課題であるので、これを継続する。4年8輪作の作付け計画に従って、異なる作物と施肥条件の下で作付けされる圃場のデータを獲得する計画である。計画通り、青刈りライ麦（越年度）と落花生の圃場のデータを取得する。蓄積するデータを用いた情報学的解析を次年度以降に行う。
圃場の微生物と微生物機能の解明にも取り組む。具体的には、上述のビタミンや配糖体の微生物代謝の分子機構の解明を継続するとともに、これら微生物の圃場生態における生態学的意義についても検討を進める。新たに作成したマイクロ培養デバイスについては、適応培地、微生物種、培養方法の検証を行い、従来の寒天培地の1000倍のパフォーマンスを目指したハイスループット培養系の構築を行う。

Research Products

• [Journal Article] Glucose-Derived Raspberry Ketone Produced via Engineered Escherichia coli Metabolism (2022)
  • Author(s): Masuo Shunsuke、Saga Chisa、Usui Kurumi、Sasakura Yuma、Kawasaki Yukie、Takaya Naoki
  • Journal Title: Frontiers in Bioengineering and Biotechnology Volume: 10 Pages: 843843-843843
  • DOI: 10.3389/fbioe.2022.843843
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Draft Genome Sequence of Novel Filterable Rhodospirillales Bacterium Strain TMPK1, Isolated from Soil (2021)
  • Author(s): Nakai Ryosuke、Kusada Hiroyuki、Sassa Fumihiro、Morigasaki Susumu、Hayashi Hisayoshi、Takaya Naoki、Tamaki Hideyuki
  • Journal Title: Microbiology Resource Announcements Volume: 10 Issue: 28
  • DOI: 10.1128/mra.00393-21
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Trade-off between Plasticity and Velocity in Mycelial Growth (2021)
  • Author(s): Sayumi Fukuda, Riho Yamamoto, Naoki Yanagisawa, Naoki Takaya, Yoshikatsu Sato, Meritxell Riquelme, Norio Takeshita
  • Journal Title: mBio Volume: 12 Issue: 2 Pages: 1-32
  • DOI: 10.1128/mbio.03196-20
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Symbiotic riboflavin degradation by Microbacterium and Nocardioides bacteria (2020)
  • Author(s): Kanazawa Hiroshi、Ozaki Sayoko、Doi Yuki、Masuo Shunsuke、Takaya Naoki
  • Journal Title: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry Volume: 84 Issue: 5 Pages: 1056-1061
  • DOI: 10.1080/09168451.2020.1715783
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Invasive growth of Aspergillus oryzae in rice koji and increase of nuclear number (2020)
  • Author(s): Yasui Mizuki、Oda Ken、Masuo Shunsuke、Hosoda Shuji、Katayama Takuya、Maruyama Jun-ichi、Takaya Naoki、Takeshita Norio
  • Journal Title: Fungal Biology and Biotechnology Volume: 7 Issue: 1 Pages: 8-8
  • DOI: 10.1186/s40694-020-00099-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ultrahigh Thermoresistant Lightweight Bioplastics Developed from Fermentation Products of Cellulosic Feedstock (2020)
  • Author(s): Nag Aniruddha、Ali Mohammad Asif、Kawaguchi Hideo、Saito Shun、Kawasaki Yukie、Miyazaki Shoko、Kawamoto Hirotoshi、Adi Deddy Triyono Nugroho、Yoshihara Kumiko、Masuo Shunsuke、Katsuyama Yohei、Kondo Akihiko、Ogino Chiaki、Takaya Naoki、Kaneko Tatsuo、Ohnishi Yasuo
  • Journal Title: Advanced Sustainable Systems Volume: 5 Issue: 1 Pages: 2000193-2000193
  • DOI: 10.1002/adsu.202000193
  • NAID: 120007181476
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fungal mycelia and bacterial thiamine establish a mutualistic growth mechanism. (2020)
  • Author(s): Abeysinghe G, Kuchira M, Kudo G, Masuo S, Ninomiya A, Takahashi K, Utada AS, Hagiwara D, Nomura N, Takaya N, Obana N, Takeshita N.
  • Journal Title: Life Sci Alliance Volume: 3 Issue: 12 Pages: e202000878-e202000878
  • DOI: 10.26508/lsa.202000878
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Defect of RNA pyrophosphohydrolase RppH enhances fermentative production of L-cysteine in <i>Escherichia coli</i> (2020)
  • Author(s): Morigasaki Susumu、Umeyama Akinori、Kawano Yusuke、Aizawa Yasushi、Ohtsu Iwao
  • Journal Title: The Journal of General and Applied Microbiology Volume: 66 Issue: 6 Pages: 307-314
  • DOI: 10.2323/jgam.2019.12.004
  • NAID: 130007991933
  • ISSN: 0022-1260, 1349-8037
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] High Production of Ergothioneine in Escherichia coli using the Sulfoxide Synthase from Methylobacterium strains (2020)
  • Author(s): Kamide Tomoyuki、Takusagawa Shun、Tanaka Naoyuki、Ogasawara Yasushi、Kawano Yusuke、Ohtsu Iwao、Satoh Yasuharu、Dairi Tohru
  • Journal Title: Journal of Agricultural and Food Chemistry Volume: 68 Issue: 23 Pages: 6390-6394
  • DOI: 10.1021/acs.jafc.0c01846
  • NAID: 120007044519
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of high-throughput quantitative analytical method for l-cysteine-containing dipeptides by LC?MS/MS toward its fermentative production (2019)
  • Author(s): Kawano Yusuke、Shiroyama Maeka、Kanazawa Koji、Suzuki Yasushi A.、Ohtsu Iwao
  • Journal Title: AMB Express Volume: 9(1) Issue: 1 Pages: 91-91
  • DOI: 10.1186/s13568-019-0817-2
  • NAID: 120007127832
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of Thiosulfate as a Sulfur Source on Plant Growth, Metabolites Accumulation and Gene Expression in Arabidopsis and Rice (2019)
  • Author(s): Nakajima Takatsugu、Kawano Yusuke、Ohtsu Iwao、Maruyuama-Nakashita Akiko、Allahham Alaa、Sato Muneo、Sawada Yuji、Hirai Masami Yokota、Yokoyama Tadashi、Ohkama-Ohtsu Naoko
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 60 Issue: 8 Pages: 1683-1701
  • DOI: 10.1093/pcp/pcz082
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] カビのエピジェネティクスと環境適応 (2019)
  • Author(s): 桝尾俊介, 高谷直樹
  • Journal Title: アレルギーの臨床 Volume: 12月臨時増刊号 Pages: 59-63
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] アスペルギルスのエピジェネティクな代謝制御 (2019)
  • Author(s): 桝尾俊介, 高谷直樹
  • Journal Title: アレルギーの臨床 Volume: 10 Pages: 33-37
• [Presentation] Exploring the Divergence of Interactions between Fungi and Bacteria (2021)
  • Author(s): Gayan Abeysinghe, Meng Wu, Shunsuke Masuo, Naoki Takaya, Norio Takeshita
  • Organizer: 31st Fungal genetics conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Agruculture Promote Human Wellbeing and Supports the Preservation of Life Culture (2021)
  • Author(s): Hisayoshi HAYASHI
  • Organizer: The 7th International Conference on Agricultural and Biological Sciences
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 硫黄研究の可能性～ようこそサルファーワールドへ～ (2021)
  • Author(s): 大津 厳生
  • Organizer: フードビジネス研究会
  • Invited
• [Presentation] ルマジン資化性菌の単離とその分解機構 (2021)
  • Author(s): 前田 典歩、土肥 裕希、高谷 直樹
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度大会
• [Presentation] 放線菌によるルミクロム分解機構の解明 (2021)
  • Author(s): 鈴木 麻菜美、尾崎 紗代子、土肥 裕希、高谷 直樹
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度大会
• [Presentation] 環境土壌における葉酸資化性菌の分布 (2021)
  • Author(s): 土肥 裕希、前田 典歩、高谷 直樹
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度大会
• [Presentation] 土壌微生物におけるC-配糖体代謝の初発酵素反応 (2021)
  • Author(s): 渡辺 聖実、堀 早苗、寺下 柚子、橋本 義輝、熊野 匠人、小林 達彦
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度大会
• [Presentation] C-配糖体代謝酵素の探索と解析 (2021)
  • Author(s): 堀 早苗、寺下 柚子、熊野 匠人、橋本 義輝、小林 達彦
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度大会
• [Remarks] ポストコッホ生態
  • URL: https://postkoch.jp/
• [Remarks] 微生物サステイナビリティ研究センター
  • URL: https://micsmagazine.com/
• [Remarks] 研究室HP
  • URL: https://tsukuba-microbes.com/
• [Remarks] MiCSマガジン