2020 Fiscal Year Annual Research Report

地下圏における炭素循環：微生物によるリグニン様物質からのメタン生成プロセスの解明

Research Project

Project/Area Number	20H03314
Research Institution	Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology
Principal Investigator	石井俊一国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(超先鋭研究プログラム), 副主任研究員 (10556913)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	鈴木志野国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (10557002)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2024-03-31
Keywords	メタトランスクリプトーム / 天然ガス鉱床 / 地下圏微生物
Outline of Annual Research Achievements	嫌気環境における炭素循環の最終生成物であるメタンは、微生物群集が協調し、有機物が多段階で分解することで生成される。中でも地下圏においては、地質学的時間の中で、リグニンやフミン酸といった難分解性有機物が、炭素源・エネルギー源となると推定される。この微生物代謝が介する一連のメタン生成反応は、地球の炭素循環はもとより、メタンハイドレートや天然ガス鉱床形成においても重要な役割を果たすと考えられているが、その反応が地下深部で起こること、地下圏には未知の微生物系統群が多く存在することから、理解が未熟である。そこで本研究では、地下圏に普遍的にみられる難分解性有機物からのメタン生成プロセスの解明を目指す。本年度は、まず地表の天然ガス田湧出地下水中の微生物群を対象として、網羅的メタオミクス解析を行うため、南関東ガス田の異なる層準、異なる位置から採掘されている５つのガス田の湧出地下水をサンプリングすると共に、分離槽に形成されるバイオフィルムをサンプリングした。その後、DNAとRNAを共抽出し、メタゲノム、メタトランスクリプトームシーケンスを行った。また、リグニン由来の難分解性有機物中間代謝産物として、シリンガ酸、バニリン酸、安息香酸、酢酸、水素、メタンを基質として、その分解微生物群集を取得するための集積培養を行った。その結果、それぞれの基質によって異なる地下圏微生物が集積されている事が分かった。これらの微生物群集構造を統計的に解析したところ、芳香族メトキシ化合物を分解する古細菌が存在する事が示唆されると共に、数種類のメタン生成を担う古細菌が地下圏に存在していることが示唆された。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本年度は、まず地表の天然ガス田湧出地下水中の微生物群を対象として、網羅的メタオミクス解析を行うため、南関東ガス田の異なる層準、異なる位置から採掘されている５つのガス田の湧出地下水をサンプリングすると共に、分離槽に形成されるバイオフィルムをサンプリングした。その後、DNAとRNAを共抽出し、メタゲノム、メタトランスクリプトームシーケンスを行った。この項目に関しては当初の予定通りである。さらに、リグニン由来の難分解性有機物中間代謝産物として、シリンガ酸、バニリン酸、安息香酸、酢酸、水素、メタンを基質、鉄酸化物、磁鉄鉱、硝酸、硫酸などを最終電子受容体として、その分解微生物群集を取得するための集積培養を行った。その結果、それぞれの基質によって異なる地下圏微生物が集積されている事が分かった。これらの微生物群集構造を統計的に解析したところ、芳香族メトキシ化合物を分解する古細菌（Bathyaechaeota）が存在する事が示唆されると共に、数種類のメタン生成を担う古細菌が地下圏に存在していることが示唆された。Bathyarchaeotaは、地下圏における主要な未培養系統の一つであるので、そのような微生物が集積されてきたことは、非常に重要なマイルストーンと言える。
Strategy for Future Research Activity	南関東ガス田の異なる層準から天然ガスを採取している5個の異なる井戸に生息する湧出地下水中の地下圏微生物群と井戸壁面に形成されたバイオフィルム中の地下圏微生物群のメタゲノムから、優占微生物のドラフトゲノム（Metagenome assembled genome; MAG）を作成する作業を継続する。得られたMAGにRNAのリードをMapし、環境中で高活性な微生物群に関しては、その普遍性を近縁種と比較する事で明らかにする。並行して、地下圏微生物を播種源として、シリンガ酸・バニリン酸から集積した培養中に優占的に存在している未培養系統門Bathyarchaeotaに属する微生物種の単離を試みる。本年は、合成培地に移行し、硫酸やマグネタイトを用いた培養にて限界希釈法を行う事とする。同時に遺伝子発現解析から、どのように芳香族メトキシ化合物を分解しているのかを推定する。さらにドラフトゲノムを決定し、既知のBathyarchaeotaとの比較ゲノム解析を行う。Bathyarchaeotaのゲノムは、GenBankから抽出し、高品質なものを選別後に、OrthoMCLを用いた比較ゲノムを行う。そこで、芳香族メトキシ化合物分解に関与すると考えられる高発現遺伝子がこの系統で保存的なのか？などのゲノム進化的な解析を行う。