Stable isotope analysis of the nucleic acids

• Project/Area Number: 20K20316
• Project/Area Number (Other): 17H06297 (2017-2019)
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2020); Single-year Grants (2017-2019)
• Research Field: Environmental conservation measure and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Koba Keisuke 京都大学, 生態学研究センター, 教授 (90311745)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 木村 浩之 静岡大学, グリーン科学技術研究所, 教授 (30377717)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2020: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2019: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2018: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2017: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: 核酸 / 窒素同位体比 / DNA / RNA / 安定同位体比 / 安定同位体 / 食物網 / 微量分析 / 炭素同位体比 / 生態系

Outline of Research at the Start

生態系の構造については古くから多数の研究が行われてきている。その中では、「ある生物がどれだけいて、何をしているのか」というもっとも基礎的かつ重要な情報がまったく不十分であるということも古くから指摘されている。
そこで、環境DNAについてその安定同位体比を測定すれば、理想的にはある生物種の在不在そしてその生物種がどのような栄養段階にあるか、どこに生息しているか、といった情報が一気に取得できると考えることができる。しかし、そのような測定は測定が大変困難であるためこれまでほとんど行われてこなかった。この核酸同位体比研究を将来展開するための、最も基礎的な部分について本研究は検討を行うものである。

Outline of Final Research Achievements

The nitrogen isotopic ratio of the nucleic acids is unknown due to the difficulties in the measurement. We modified EA-IRMS for the tiny samples (i.e. extracted nucleic acids) and tested the extraction kits for DNA.

We found that the nitrogen isotopic ratio of the purified nucleic acids was lower by ca. 8 ‰ than that of bacterial biomass, indicating that the nitrogen isotopic ratio of nucleic acids can be used to reconstruction of the nitrogen isotopic ratio of the bacterial biomass.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

この核酸窒素同位体比から生物体の窒素同位体比が復元できるという発見は、たとえば古環境研究において過去の生物の食性を解析したり、環境DNA研究において、採捕することのできない生物の食性を解析したり、というような全く新たな展開をもたらすことができる可能性を持つものである。今後、基礎的な知見として重要な、様々な生物におけるバイオマスと核酸の窒素同位体比の関係、炭素同位体比の関係を明らかにするところから展開してゆくことにより、本格的な発展が期待できると考えている。

Research Products

• [Journal Article] 元素分析計連結型安定同位体比質量分析計の簡易改造による微量試料炭素窒素安定同位体比測定 (2021)
  • Author(s): 木庭啓介、木下桂、大西雄二、福島慶太郎、尾坂兼一、松尾奈緒子、舟川一穂、瀬古祐吾、目戸綾乃、平澤理世、小川奈々子、兵藤不二夫、由水千景
  • Journal Title: Radioisotopes Volume: -
  • NAID: 130008066050
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Influence of δ18O of water on measurements of δ18O of nitrite and nitrate (2020)
  • Author(s): Kobayashi Kanae、Fukushima Keitaro、Onishi Yuji、Nishina Kazuya、Makabe Akiko、Yano Midori、Wankel Scott D.、Koba Keisuke、Okabe Satoshi
  • Journal Title: Rapid Communications in Mass Spectrometry Volume: 35 Issue: 2 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1002/rcm.8979
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Control of the Nitrogen Isotope Composition of the Fungal Biomass: Evidence of Microbial Nitrogen Use Efficiency (2019)
  • Author(s): Shinoda Kazuki、Yano Midori、Yoh Muneoki、Yoshida Makoto、Makabe Akiko、Yamagata Yohei、Houlton Benjamin Z.、Koba Keisuke
  • Journal Title: Microbes and Environments Volume: 34 Issue: 1 Pages: 5-12
  • DOI: 10.1264/jsme2.ME18082
  • NAID: 130007627736
  • ISSN: 1342-6311, 1347-4405
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nitrate is an important nitrogen source for Arctic tundra plants (2018)
  • Author(s): Liu Xue-Yan、Koba Keisuke、Koyama Lina A.、Hobbie Sarah E.、Weiss Marissa S.、Inagaki Yoshiyuki、Shaver Gaius R.、Giblin Anne E.、Hobara Satoru、Nadelhoffer Knute J.、Sommerkorn Martin、Rastetter Edward B.、Kling George W.、Laundre James A.、Yano Yuriko、Makabe Akiko、Yano Midori、Liu Cong-Qiang
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 115 Issue: 13 Pages: 3398-3403
  • DOI: 10.1073/pnas.1715382115
  • NAID: 120006416235
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] バクテリアからの核酸抽出と安定同位体比測定 (2021)
  • Author(s): 大西雄二, 後藤(桜井)晶子, 福島慶太郎, 木庭啓介
  • Organizer: 日本生態学会第68回大会
• [Presentation] バクテリア核酸の炭素窒素安定同位体比測定 (2020)
  • Author(s): 大西雄二, 福島慶太郎, 木庭啓介
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
• [Presentation] 安定同位体比による食性解析から見る嵐山ニホンザル群の個体差 (2020)
  • Author(s): 舟川 一穂、木庭 啓介
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
• [Presentation] 安定同位体測定を用いた淡水生物寄生虫類の宿主ー寄生関係の解明 (2020)
  • Author(s): 木下 桂、福島 慶太郎、大西 雄二、木庭 啓介
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
• [Presentation] 土壌微生物と植物の窒素獲得競争：安定同位体比からの再検討 (2020)
  • Author(s): 木庭 啓介
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
• [Presentation] バクテリアにおける核酸の安定同位体測定手法の開発 (2020)
  • Author(s): 大西雄二・木庭啓介
  • Organizer: 日本生態学会第67回全国大会
• [Presentation] 土壌微生物と植物の窒素獲得競争：安定同位体比からの再検討 (2020)
  • Author(s): 木庭啓介
  • Organizer: 日本生態学会第67回全国大会
• [Presentation] 琵琶湖集水域におけるコイ科魚類寄生虫類相と栄養段階：安定同位体測定を用いた解明 (2020)
  • Author(s): 木下桂・浦部美佐子・大西雄二・福島慶太郎・木庭啓介
  • Organizer: 日本生態学会第67回全国大会
• [Presentation] 安定同位体比測定のための微生物からの核酸抽出 (2019)
  • Author(s): 大西 雄二・福島慶太郎・木庭 啓介
  • Organizer: 2019年度生物地球化学研究会
• [Presentation] 土壌微生物と植物の窒素獲得競争：実際の現場では？ (2019)
  • Author(s): 木庭啓介
  • Organizer: 2019年度生物地球化学研究会
• [Presentation] 琵琶湖集水域の寄生虫類相と安定同位体を用いた栄養段階の解明 (2019)
  • Author(s): 木下 桂・大西 雄二・福島 慶太郎・木庭 啓介
  • Organizer: 2019年度生物地球化学研究会
• [Presentation] Nitrogen and oxygen isotope techniques to elucidate the uncovered functions in the ecosystems (2018)
  • Author(s): Keisuke Koba
  • Organizer: Ecosystem N cycling under climate change
  • Invited
• [Remarks] ツンドラの生態系でも硝酸イオンは大切な窒素源だった
  • URL: http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research/research_results/2017/180313_1.html
• [Remarks] 森林に忍び寄る静かな異変 激増する窒素は地球に何をもたらすのか
  • URL: http://shochou-kaigi.org/interview/interview_49/