2018 Fiscal Year Research-status Report
Elucidation of the nitrogen-fixing endophyte in yam and agricultural innovation
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18KT0046
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture |
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Principal Investigator |
志和地 弘信 東京農業大学, 国際食料情報学部, 教授 (40385505)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
朴 炳宰 鹿児島大学, 農水産獣医学域農学系, 准教授 (00538879)
遠城 道雄 鹿児島大学, 農水産獣医学域農学系, 教授 (60194651)
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| Project Period (FY) |
2018-07-18 – 2022-03-31
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| Keywords | 作物学 / 微生物工学 / 育種学 / ヤムイモ / 植物生育促進細菌 / 施肥技術 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究はヤムイモに共生する窒素固定細菌を次世代の農資源と捉え農業革新と食料増産による国際協力を目標としたものである。ヤムイモとはヤマノイモ科の植物の食用種を指す。開発途上国ではヤムイモは地域の食料として重要な作物であるが、その重要性が熱帯地域以外では適切に認識されておらず、研究や品種改良の対象とされてこなかった。申請者らは科学研究費の助成（2006～2015年）を受けて国際熱帯農業研究所（International Institute of Tropical Agriculture：IITA ナイジェリア）とヤムイモの生産性改善に関する共同研究を行い、これまでに新しい増殖方法や栽培技術などを開発してきた。そして、高収量品種の育成過程で窒素がほとんどない土壌でも良く生育するヤムイモ系統を発見した。この系統は平成27-29年挑戦的萌芽研究「ヤムイモ(Dioscorea spp.)の窒素固定細菌との共生に関する研究」において、根粒菌などの窒素固定細菌と共生していることが世界で初めて確認され、窒素固定の寄与率が38％以上あることを明らかにした。ヤムイモの生育に窒素固定細菌が関与することはこれまでに報告がなく、また、マメ科以外に内生するこれらの細菌の生態や能力に関する報告は少ない。窒素固定細菌が見つかったヤムイモと別の種にも窒素固定細菌が発見され、２種合わせて3属の根粒菌と8属の窒素固定細菌が分離された。これらの中にはPlant Growth Promoting Bacteria (PGPB)のEnterobacter属も見つかっており、成長促進材としての利用も考えられた（未発表）。
本研究はヤムイモに内生する窒素固定細菌の能力や特性を明らかにして、ヤムイモ生産における窒素固定細菌の利用を確立するとともに、農業生産における窒素固定エンドファイトの利用による窒素肥料に依存しない持続的な食糧生産技術の開発を目指す、農学と微生物工学を融合したものである。
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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
ヤムイモの一種である4系統のダイジョと3系統のトゲイモについて窒素固定の寄与度及び窒素固定細菌の分離・同定を試みた。その結果、すべての系統からアセチレン還元活性を持つ細菌が分離され、これらは窒素固定細菌と推定された。これらの細菌の16S rRNA遺伝子シークエンスから18属の窒素固定細菌が同定された。同定された９属の細菌はマメ科以外から分離された初めての報告となった。
次に、牛堆肥、尿素および無施肥（対照）の施肥条件下で栽培したダイジョおよびトゲイモの生育における窒素固定細菌の窒素固定能力についてδ15Nを測定して窒素寄与度を調べた。その結果、ダイジョおよびトゲイモ共に施肥した植物体におけるδ15Nはそれぞれの肥料から供給されており、一方、ダイジョおよびトゲイモの対照ではそれぞれ13~40%および20～65%の窒素を空気中から得ていることが明らかになった。これらの植物体からも窒素固定細菌が分離・同定され、ダイジョの主たる細菌はRhizobium、Mesorhizobium、Devosia属、トゲイモではAcinetobacter、Pantoea、Pseudomonas、Pseudomonas、Serratia、Stenotrophomonas属であった。これらの結果から、ヤムイモではほとんどの種・系統で窒素固定細菌が内生していると考えられるが、窒素固定の寄与率は施肥条件や系統によって異なることが明らかになった。
さらに、ナイジェリアの国際熱帯農業研究所（IITA）において低肥沃土壌で育つホワイトヤム6品種を栽培し、茎及び根のサンプルから窒素固定能を持ついくつかの細菌を分離した。ホワイトヤムの生育にも窒素固定細菌が関与していることが明らかになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
ヤムイモから単離した窒素固定細菌をヤムイモ植物体に接種して、窒素の固定能力を調べる。特に、Rhizobiumなどを人工的に接種した植物体は根などが増加することから、細菌が固定する空中窒素だけでなく内生ホルモンへの影響が考えられる。植物生育促進細菌（Plant Growth Promoting Bacteria: PGPB）としての機能性を調査する。ヤムイモの細菌フローラの解析のためメタゲノム解析方法が確立した。今後は共生細菌の種類と量を数種のヤムイモで調査し、ヤムイモに窒素を供給している細菌を推定する。そして、これまでに単離・同定した細菌を組み合わせて、生物肥料資材としてのパッケージを作成する。
また、窒素固定細菌は東京農業大学の菌株保存室に登録し、遺伝資源としてデータベース化をめざす。
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| Causes of Carryover |
（理由）研究が順調に進み、研究対象作物を栽培している沖縄県への3月の出張が不要になったため。
（使用計画）次年度は研究計画を前倒しで実施する。
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