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Omics reveals nitrogen cycling system with anammox

Research Project

Project/Area Number 17H00793
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Research Field Modeling and technologies for environmental conservation and remediation
Research InstitutionThe University of Tokyo (2020)
Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (2017-2019)

Principal Investigator

高見 英人  東京大学, 大気海洋研究所, 特任研究員 (70359165)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 黒岩 恵  中央大学, 理工学部, 助教 (00761024)
諏訪 裕一  中央大学, 理工学部, 教授 (90154632)
Project Period (FY) 2017-04-01 – 2021-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥42,380,000 (Direct Cost: ¥32,600,000、Indirect Cost: ¥9,780,000)
Fiscal Year 2020: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000)
Fiscal Year 2019: ¥10,010,000 (Direct Cost: ¥7,700,000、Indirect Cost: ¥2,310,000)
Fiscal Year 2018: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000)
Fiscal Year 2017: ¥13,130,000 (Direct Cost: ¥10,100,000、Indirect Cost: ¥3,030,000)
KeywordsANAMMOX / 窒素循環 / 比較ゲノム解析 / 機能的メタゲノム解析 / anammox / ゲノム解析 / メタゲノム解析 / 安定同位体解析 / メタUトランスクリプトーム / anammox微生物 / 嫌気的アンモニア酸化 / トランスクリプトーム解析 / 同位体解析 / 環境 / ゲノム / バイオリアクター / 微生物
Outline of Annual Research Achievements

令和元年度は、平成30年度に全ゲノム解読が終了したanammox細菌 (Ca. Brocadia pituitae, 旧名B. purgamentorum)とこれまで報告された完成ゲノム (Ca. Kuenenia stuttgaritiensis) 及び完成度の高いanammox細菌のドラフトゲノムを用い、anammox細菌のコアゲノム構造を明らかにした。これまでanammox細菌は電子受容体としてNO2を利用するため、NO2をNOに還元するnitrite reductase (NirSまたはNirK)遺伝子が必須と考えられていたが、この遺伝子は、コアゲノム構造に含まれておらず水平伝播によって獲得されたことがわかった。実際、Ca. B. pituitaeや一部のanammox細菌はnitrite reductaseを有していない。そこで、次にanammoxリアクターのメタゲノム中にこの遺伝子を検索したところ、リアクターに優占する不完全脱窒菌(Ca. Desulfobacillus symbiosus, Ca. Denitrolinea imperfectus) や他の非優占種に由来する遺伝子が見出された。一方、nitrite reductase遺伝子以外のanammox反応に必須な遺伝子群は全てコアゲノム構造に含まれており、Ca. B. pituitaeでの発現が確認されている。したがって、Ca. B. pituitaeは、リアクター中に共存する不完全脱窒菌がNO2を還元したNOを利用していると予想された。そこで、リアクター中の不織布から掻き取った菌体粒子を物理的な拡散の有無によるanammox活性への影響を調べたところ、NO2を基質とした場合、拡散無しではanammox活性が検出されたが拡散有りではanammox活性がほぼ消失した。また、基質をNOとした場合は、拡散の有無に関わらず活性が検出されたことから、リアクター内のCa. B. pituitaeは、不完全脱窒菌によって生成されたNOを使ってNH4+をN2まで酸化していることが分かった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究では、anammoxと脱窒活性が長期的に維持されている集積培養リアクターの窒素循環システムの全貌を最新のオミックスと同位体化学的手法を駆使して明らかにすることを目的としているが、これまでにanammoxリアクターの微生物群集のanammox細菌を含む優占種4種のうち、3種の全ゲノム配列決定に成功し、4種目のゲノム配列も90%以上のゲノム配列を得ることができた。
これまでで2例目となるanammox細菌の全ゲノム配列が決定されたことにより、他の完成度の高いドラフトゲノム配列とも合わせて、anammox細菌のコアゲノム構造を決定した。これによりanammox細菌の共通性と多様性が明らかとなり、anammox反応の最初のステップであるNO2の還元を担うnitrite reductase遺伝子は、anammox細菌のコア遺伝子ではなく、水平伝搬によって獲得された遺伝子であることを明らかにした。
一方、本研究で全ゲノムが解読されたanammox細菌、Ca. B. pituitaeは、NOを用いてNH4+を酸化することが同位体を用いた実験から明らかとなった。また、anammox細菌と不完全脱窒菌などが共存する菌体粒子を物理的に分散させるとNO2を基質としたanammox活性が消失することから、Ca. B. pituitaeは菌体粒子中に共存する不完全脱窒菌のNO2還元能に依存したanammox反応であることが明らかとなった。以上のように、本研究の最終目的であるanammoxリアクターの窒素循環モデルの構築に必要な情報がほぼ得られことから、本研究は概ね順調に進んでいると言える。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度は、本研究の最終年度であるため、これまでオミックス解析と安定同位体解析から得られた全ての結果を整理し、anammoxリアクター内の窒素循環モデルを構築し、これをもとに不完全脱窒菌に依存したanammox反応に関する論文を執筆する。
また、全ゲノム配列が決定された不完全脱窒菌、Ca. Desulfobacillus symbiosusのGenomaple (旧MAPLE)システムを用いた生理代謝機能ポテンシャル解析やリアクターのメタトランスクリプトーム解析結に加え、他の脱窒菌との比較ゲノム解析を通してanammoxリアクターの窒素循環の一役を担う不完全脱窒菌の生き様をハイライトし、論文化を行う。

Report

(3 results)
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report
  • 2017 Annual Research Report

Research Products

(15 results)

All 2020 2019 2018 2017

All Journal Article Presentation Book

  • [Journal Article] MAPLE 2.3.0: an improved system for evaluating the functionomes of genomes and metagenomes2018

    • Author(s)
      Arai Wataru、Taniguchi Takeaki、Goto Susumu、Moriya Yuki、Uehara Hideya、Takemoto Kazuhiro、Ogata Hiroyuki、Takami Hideto
    • Journal Title

      Biochemistry & Molecular Biology

      Volume: 82 Pages: 1515-1517

    • DOI

      10.1080/09168451.2018.1476122

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Complete Genome Sequence of Altererythrobacter sp. Strain B11, an Aromatic Monomer-Degrading Bacterium, Isolated from Deep-Sea Sediment under the Seabed off Kashima, Japan2018

    • Author(s)
      Maeda Allyn H.、Nishi Shinro、Ishii Shun'ichi、Shimane Yasuhiro、Kobayashi Hideki、Ichikawa Junko、Kurosawa Kanako、Arai Wataru、Takami Hideto、Ohta Yukari
    • Journal Title

      Genome Announcements

      Volume: 6

    • DOI

      10.1128/genomea.00200-18

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Acidotolerant gammaproteobacterial ammonia oxidizing bacteria from soil2017

    • Author(s)
      3.Masahito Hayatsu, Kanako Tago, Ikuo Uchiyama, Atsushi Toyoda, Yong Wang, Yumi Shimomura,Takashi Okubo, Futoshi Kurisu, Yuhei Hirono, Kunihiko Nonaka, Hiroko Akiyama, Takehiko Itoh, Hideto Takami
    • Journal Title

      The ISME Journal

      Volume: - Pages: 1130-114

    • DOI

      10.1038/ismej.2016.191

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Biochemical characterization of a new nicotinamidase from an unclassified bacterium thriving in a geothermal water stream microbial mat community2017

    • Author(s)
      Zapata-Perez Ruben、Martinez-Monino Ana-Belen、Garcia-Saura Antonio-Gines、Cabanes Juana、Takami Hideto、Sanchez-Ferrer Alvaro
    • Journal Title

      PLOS ONE

      Volume: 12

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0181561

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] anammox 反応の原型はNOを電子受容体として利用していた2020

    • Author(s)
      大久保 卓、豊田 敦、福原 康平、内山 郁夫、黒岩 恵、針ヶ谷 優生、鈴木 拓磨、村上 由夏、諏訪 裕一、高見英人
    • Organizer
      日本ゲノム微生物学会 第14回年会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] アナモクスリアクターにおける窒素代謝の速度論的解析2020

    • Author(s)
      黒岩恵、鈴木拓磨、髙見英人、大久保卓、諏訪裕一
    • Organizer
      日本生態学会 第67回全国大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 生理・代謝機能評価のための最新版統合型高速解析システム-MAPLE 2.3.1-2019

    • Author(s)
      髙見英人、中川剛史、荒井渉、木田洋祐、青野圭祐、吉村健二
    • Organizer
      日本ゲノム微生物学会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 窒素代謝コンソーシアムによる新規嫌気性アンモニア酸化2019

    • Author(s)
      大久保卓、豊田敦、福原康平、黒岩恵、荒井渉、鈴木拓磨、針ヶ谷優生、諏訪裕一、髙見英人
    • Organizer
      日本ゲノム微生物学会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 高速且つ利便性が向上した最新版生理代謝機能評価システム-MAPLE 2.3.1-2018

    • Author(s)
      髙見英人、中川剛史、荒井渉、吉村健二
    • Organizer
      日本分子生物学会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] メタゲノム解析で見る太平洋低緯度海域の表層微生物叢代謝2018

    • Author(s)
      高見英人、多田雄哉、荒井渉、鈴木翔太朗、濵﨑恒二
    • Organizer
      日本ゲノム微生物学会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] 利便性が向上した生理・代謝機能ポテンシャル評価システム -MAPLE2.3.0-2018

    • Author(s)
      荒井 渉、谷口 丈晃、五斗 進、守屋 勇樹、上原 英也、竹本 和広、緒方 博之、高見英人
    • Organizer
      日本ゲノム微生物学会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] Functional metagenomics of low latitude areas of the Pacific Ocean2017

    • Author(s)
      Hideto Takami, Kazuhiro Takemoto, Wataru Arai, Yoshitoshi, Ogura, Tetsuya Hayashi, and Koji Hamasaki
    • Organizer
      FEMS 2017
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 機能からマオクロバイオームを見る2017

    • Author(s)
      高見英人
    • Organizer
      日本感染症学会 西日本中日本支部 合同集会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Invited
  • [Book] MAPLE enables functional assessment of microbiota in various environments2019

    • Author(s)
      Hideto Takami
    • Total Pages
      271
    • Publisher
      Springer
    • ISBN
      9789811381348
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Book] Functional microbial diversity: Functional genomics and metagenomics using MAPLE2019

    • Author(s)
      Hideto Takami
    • Total Pages
      699
    • Publisher
      Elsevier
    • ISBN
      9780128148495
    • Related Report
      2018 Annual Research Report

URL: 

Published: 2017-04-28   Modified: 2021-01-27  

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