2021 Fiscal Year Annual Research Report
土壌微生物機能発揮の鍵となる群集・メタゲノム構造の特定
| Project Area | Digital biosphere: integrated biospheric science for mitigating global environment change |
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| Project/Area Number |
21H05315
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
近藤 倫生 東北大学, 生命科学研究科, 教授 (30388160)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
永田 裕二 東北大学, 生命科学研究科, 教授 (30237531)
大坪 嘉行 東北大学, 生命科学研究科, 准教授 (40342761)
加藤 広海 東北大学, 生命科学研究科, 助教 (90727265)
川津 一隆 東北大学, 生命科学研究科, 助教 (20747547)
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| Project Period (FY) |
2021-09-10 – 2026-03-31
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| Keywords | 土壌微生物 / ネットワーク / 非線形時系列解析 / 培養実験 / メタゲノム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本計画研究では、培養実験系と非線形時系列解析、フィールド実験を組み合わせたデータ駆動型アプローチによって、土壌微生物の群集構造が有機物分解や土壌呼吸に影響するメカニズム・原理を明らかにすることを目的とする。培養実験により、菌叢・機能遺伝子組成、および生物圏機能の時系列データを獲得、データ駆動型モデリングにより、種間および機能遺伝子間の相互作用ネットワークを構築するとともに、生物圏機能の鍵となる群集・メタゲノム構造・環境要因を特定する。推定の妥当性は、室内実験系と野外において検証されるとともに、土壌微生物群集機能を最大化するための方策構築に利用される。
本年度は研究を進める上での研究基盤を確立した。実験に関しては、褐色森林土から抽出した細菌群集の培養条件の検討を行い、本培養実験の条件を決定した。また培養系のCO2や有機炭素量を測定するための装置など、必要な分析機器類を導入および拡張し、本培養実験のための環境を整備した。これと併せて細菌の相互作用や実環境での細菌のゲノム進化に関わる研究成果も発表している。またデータ解析分野では、非線形時系列解析の一手法S-mapを拡張子、観察時系列データから種間相互作用を超高精度・ノイズ頑健に推定する手法LMDr（Local-Manifold-Distance based locally weighted regression）の開発に取り組み、本研究における軸となるデータ解析手法を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
博士研究員の雇用など研究を進める上で必要なチームビルディングを終え、課題１と２に関する研究を進めた。研究課題ごとに進捗状況を報告する。
■ 研究課題1 - 実験培養系の解析【永田G】 添加炭素源分解資化能と固定能に関わる菌叢・機能遺伝子組成および全有機体炭素量の経時変化のデータ獲得は、本研究を推進する上で最も重要な基礎データである。永田Gが長年研究対象としてきた褐色森林土から抽出した細菌群集を全ての研究課題の基礎とするものとし、本培養実験を実施するための環境を整備した。
■ 研究課題2 - 種間・機能遺伝子間相互作用の同定【近藤G】非線形時系列解析等のデータ解析手法を発展させることで、支配方程式が得られない微生物群集動態を実験データから精度良く明らかにすることを目標とする。本年度は、非線形時系列解析の一手法S-mapを拡張し、観察時系列データから種間相互作用を超高精度・ノイズ頑健に推定する手法LMDr（Local-Manifold-Distance based locally weighted regression）の開発に取り組んだ。
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| Strategy for Future Research Activity |
■研究課題１ - 褐色森林土から抽出した細菌群を各種炭素源を加えた複数の条件で培養し、CO2・有機炭素量・残存基質量などの経時変化を測定すると共に、経時的なメタゲノム解析を実施し、菌叢および構成遺伝子の変化に関するデータセットを取得する。 また、A02班(彦坂班)がサンプリングを行う実環境の土壌試料のメタゲノム解析を実施し、菌叢および構成遺伝子の情報を得る。メタゲノム解析の際の基盤情報となる細菌の相互作用や炭素代謝に関わる機能遺伝子の解析を行う。
■研究課題２ - 観察時系列データから種間相互作用を超高精度・ノイズ頑健に推定する手法LMDr（Local-Manifold-Distance based locally weighted regression）に関する論文出版を目指す。本手法を土壌微生物実験データに適用し、菌叢相互作用網および機能遺伝子ネットワーク構造の同定を行う。
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