植物共生微生物のメタゲノム解析による物質循環機能の解明

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 23248052
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 南澤 究 東北大学, 生命科学研究科, 教授 (70167667)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 信濃 卓郎 独立行政法人農業・食品産業技術総合研究機構, 東北農業研究センター, 農業放射線研究センター長 (20235542) ; 池田 成志 独立行政法人農業・食品産業技術総合研究機構, 北海道農業研究センター 芽室研究拠点, 主任研究員 (20396609) ; 岡崎 圭毅 独立行政法人農業・食品産業技術総合研究機構, 北海道農業研究センター, 研究員 (40414750)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2014-03-31
• Keywords: 植物マイクロビオーム / メタゲノム解析 / 物質代謝 / 植物共生微生物 / 根圏微生物

Research Abstract

低窒素環境でイネ根にBurkholderia, Bradyrhizobium, Methylosinus属の特定の細菌群の相対存在比が上昇した。機能遺伝子として、メタン酸化や植物ホルモン関連遺伝子の相対存在比が低窒素環境で上昇した。イネ共生遺伝子CCaMKが微生物共生に必須であるので、水田におけるメタンフラックスを調べた。日本晴とCCaMK変異体(NE1115)は、低窒素区においてメタンフラックスが有意に約２倍上昇した。一方、慣行区では両者に差が観察されなかった。種々の解析の結果、イネCCaMK遺伝子が低窒素環境でメタン酸化窒素固定微生物を受容している結果が得られた。15N自然存在比の結果は、日本晴地上部におけるδ15NがNE1115より有意に低く、空気中の軽い窒素で希釈されたため窒素固定が上昇したことが強く示唆された。以上のように、Type II型のメタン酸化細菌の共生にイネの共通共生シグナル伝達系の遺伝子OsCCaMKが関与していることが分かった。「低窒素環境→OsCCaMKによるメタン酸化細菌の受容→メタン酸化窒素固定の活性化」という水田に豊富にあるメタンに依存した窒素固定系が存在していることをメタゲノム解析により初めて明らかにできた。
低窒素圃場栽培イネ根より、Burkholderia, Bradyrhizobium属鍵細菌を分離し、分離菌のドラフトゲノムを決定し、メタゲノムデータと比較した結果、当該分離菌は低窒素環境で増えている細菌株である証拠が得られた。土壌微生物由来のRNAの測定系を確立し、16SrRNAおよびmRNAの発現解析を行い、環境変動に敏感に応答していることが示された。イネの葉鞘及び葉身でも、メタン酸化細菌の相対存在比は品種により変動した。

Current Status of Research Progress

Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] A rice gene for microbial symbiosis, Oryza sativa CCaMK, reduces CH4 flux in a paddy field with low nitrogen input (2014)
  • Author(s): Bao Z, Watanabe A, Sasaki K, Okubo T, Tokida T, Liu D, Ikeda S, Imaizumi-Anraku H, Asakawa S, Sato T, Mitsui H, and Minamisawa K
  • Journal Title: Appl. Environ. Microbiol. Volume: 80 Pages: 1995-2003
  • URL: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24441161
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Low nitrogen fertilization adapts rice root microbiome to low nutrient environment by changing biogeochemical functions (2014)
  • Author(s): Ikeda, S., K. Sasaki, T. Okubo, A. Yamashita, K. Terasawa, Z. Bao, D. Liu, T. Watanabe, J. Murase, S. Asakawa, S. Eda, H. Mitsui, T. Sato, and K. Minamisawa
  • Journal Title: Microbes Environ. Volume: 29 Pages: 50-59
  • URL: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24463575
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of elevated carbon dioxide, elevated temperature, and rice growth stage on the community structure of rice root-associated bacteria (2014)
  • Author(s): Takashi Okubo, Takeshi Tokida, Seishi Ikeda, Zhihua Bao, Kanako Tago, Masahito Hayatsu, Hirofumi Nakamura, Hidemitsu Sakai, Yasuhiro Usui, Kentaro Hayashi, Toshihiro Hasegawa, and Kiwamu Minamisawa
  • Journal Title: Microbes Environ. Volume: in press Pages: in press
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An Assessment of the Diversity of Culturable Bacteria from the Main Root of the Sugar Beet (2014)
  • Author(s): Kazuyuki Okazaki, Takao Iinno, Yosuke Kuroda, Kazunori Taguchi, hiroyuki Takahashi, Takuji Ohwada, hiroto Tsurumaru, Takashi Okubo, Kiwamu Minamisawa, and Seishi Ikeda
  • Journal Title: Microbes Environ. Volume: in press Pages: in press
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Arsenic alters uptake and distribution of sulphur in Ptreis vittata (2014)
  • Author(s): Watanabe, T., Kouho, R., Katayose, T., Kitajima, N., Sakamoto, N., Yamaguchi, N., Shinano, T., Yurimoto, H. and Osaki, M.
  • Journal Title: Plant, Cell and Environment Volume: 37(1) Pages: 45-53
  • DOI: 10.1111/pce.12124
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Verification of radiocesium decontamination from farmlands by plants in Fukushima (2014)
  • Author(s): Kobayashi, K., Okouchi, T., Yamagami, M. and Shinano, T.
  • Journal Title: Journal of Plant Research Volume: 127(1) Pages: 51-56
  • DOI: 10.1007/s10265- 013-0607-x
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of plant genotype and nitrogen level on bacterial communities (2013)
  • Author(s): Sasaki, K., S. Ikeda, T. Okubo, C. Kisara, T. Sato, and K. Minamisawa
  • Journal Title: Microbes Environ. Volume: 28 Pages: 391-395
  • URL: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23979487
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Genome anlaysis suggests that the soil oligotrophic bacterium Agromonas oligotrophica (Bradyrhizobium oligotrophicum) is a nitrogen-fixing symbiont of Aeschynomene indica (2013)
  • Author(s): Okubo, T., S. Fukushima, M. Itakura, K. Oshima, A. Longtonglang, N. Teaumroong, H. Mitsui, M. Hattori, R. Hattori, T. Hattori, and K. Minamisawa
  • Journal Title: Appl. Environ. Microbiol. Volume: 79 Pages: 2542-2551
  • URL: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23396330
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Impact of Azospirillum sp. B510 inoculation on rice-associated bacterial communities in a paddy field (2013)
  • Author(s): Bao, Z., K. Sasaki, T. Okubo, S. Ikeda, M. Anda, E. Hanzawa, K. Kakizaki, T. Sato, H. Mitsui, and K. Minamisawa
  • Journal Title: Microbes Environ. Volume: 28 Pages: 487-490
  • DOI: 10.1264/jsme2.ME13049
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mitigation of nitrous oxide emissions from soils by Bradyrhizobium japonicum inoculation (2013)
  • Author(s): Itakura, M., Y. Uchida, H. Akiyama, Y. Takada-Hoshino, Y. Shimomura, S. Morimoto, K. Tago, Y. Wang, C. Hayakawa, Y. Uetake, C. Sa´nchez, S. Eda, M. Hayatsu, and K. Minamisawa
  • Journal Title: Nature Climate Change Volume: 3 Pages: 208-212
  • DOI: 10.1038/nclimate1734
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The type III secretion system of Bradyrhizobium japonicum USDA122 mediates symbiotic incompatibility with Rj2 soybean (2013)
  • Author(s): Tsukui, T., S. Eda, T. Kaneko, S. Sato, S. Okazaki, K. Kakizaki-Chiba, M. Itakura, H. Mitsui, A. Yamashita, K. Terasawa, and K. Minamisawa
  • Journal Title: Appl. Environ. Microbiol. Volume: 79 Pages: 1048-1051
  • DOI: 10.1128/AEM.03297-12
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Metabolite profiling of mizuna (Brassica rapa L. var. Nipponsinica) to evaluate the effects of organic matter amendments (2013)
  • Author(s): Watanabe, A., Okazaki, K., Watanabe, T., Osaki, M., Shinano, T.
  • Journal Title: Journal of Agricultural and Food Chemistry Volume: 61(5) Pages: 1009-1016
  • DOI: 10.1021/jf3039132
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 植物根圏微生物の機能解析手法開発 (2013)
  • Author(s): 信濃卓郎
  • Journal Title: 日本草地学会誌 Volume: 59(1) Pages: 70-73
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Identification of improved volatiles in fresh and processing carrot varieties: Using Kuroda and Flakee types (2013)
  • Author(s): Fukuda, T., Tanaka, H., Ihori, H., Okazaki, K., Shinano, T. and Fukumori, Y.
  • Journal Title: Food Science and Technology Research Volume: 19(3) Pages: 497-504
  • DOI: 10.3136/fstr.19.497
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mitigation of peroxidative stress for barley exposed to cadmium in the presence of water-extractable organic matter from compost-like materials (2013)
  • Author(s): Tachibana, N., Nagasawa, K., Wang, B., Nishiya, K., Fukushima, M., Kanno, H., Shinano, T. and Okazaki, K.
  • Journal Title: Chemosphere Volume: 93(4) Pages: 695-700
  • DOI: 10.1016/j.chemosphere.2013.06.038
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Estimating phosphorus availability in Andosols using soil biomass phosphorus as an indicator (2013)
  • Author(s): Sugito, T. and Shinano, T.
  • Journal Title: JARQ Volume: 47(4) Pages: 347-351
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Aroma characteristic and volatile profiling of carrot varieties, and quantitative role of terpenoid compounds for carrot sensory attributes (2013)
  • Author(s): Fukuda, T., Okazaki, K. and Shinano, T.
  • Journal Title: Journal of Food Science Volume: 78(11) Pages: S1800-S1806
  • DOI: 10.1111/1750-3841.12292
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of phosphorus levels on the protein profiles of secreted protein and root surface protein of rice (2013)
  • Author(s): Shinano, T., Yoshimura, T., Watanabe, T., Unno, Y., Osaki, M., Nanjo, Y. and Komatsu, S.
  • Journal Title: Journal of Proteome Research Volume: 12(11) Pages: 4748-4756
  • DOI: 10.1021/pr400614n
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular characterization of the bacterial community in a potato phytosphere (2013)
  • Author(s): Someya, N., Y.O. Kobayashi, S. Tsuda and S. Ikeda
  • Journal Title: Microbes and Environments Volume: 28 Pages: 295-305
  • DOI: 10.1264/jsme2.ME13006
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 環境微生物研究とリスク管理 (2013)
  • Author(s): 池田成志
  • Journal Title: 日本微生物生態学会誌 Volume: 28 Pages: 75-76
• [Presentation] 低窒素環境のイネ根で優占する細菌のメタゲノム解析に基づいた分離：Bradyrhizobium属とBurkholderia属分離株の機能解析 (2014)
  • Author(s): 篠田 亮、大久保 卓、按田 瑞恵、鶴丸 博人、南澤 究
  • Organizer: 第8回日本ゲノム微生物学会年会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 20140307-20140309
• [Presentation] 根圏に生息する微生物とその役割：窒素レベルは微生物相とその役割を変化させるのか？ (2013)
  • Author(s): 南澤 究
  • Organizer: 第14回日本有機農業学会大会・総会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 20131207-20131208
  • Invited
• [Presentation] 植物共生微生物と農業 (2013)
  • Author(s): 池田成志
  • Organizer: 第14回日本有機農業学会大会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 20131207-20131208
  • Invited
• [Presentation] 光合成 Bradyrhizobium 属細菌のメタノール依存的な生育に及ぼす希土類元素の影響 (2013)
  • Author(s): 関 謙二郎、包 智華、三井 亮司、谷 明生、増田 幸子、三井 久幸、南澤 究
  • Organizer: 第29回日本微生物生態学会
  • Place of Presentation: 鹿児島
  • Year and Date: 20131123-20131125
• [Presentation] 植物共生微生物の多様性と生態機能を探る：Bradyrhizobium属細菌の共生進化と温室効果ガスを操る根圏微生物 (2013)
  • Author(s): 南澤 究
  • Organizer: 第33回日本微生物系統分類研究会
  • Place of Presentation: 高山
  • Year and Date: 20131114-20131115
  • Invited
• [Presentation] Phosphorus starvation changes the metabolic flow in rice (2013)
  • Author(s): Shinano, T.
  • Organizer: JIRCAS Workshop: Improving Phosphorus Efficiency in Rice: Novel traits and underlying genes
  • Place of Presentation: つくば
  • Year and Date: 20131108-20131110
  • Invited
• [Presentation] Rice methanotrophic diazotrophs as non-leguminous rhizobia (2013)
  • Author(s): Kiwamu Minamisawa, Zhihua Bao, Kenji Seki, Dongyan Liu, Susumu Asakawa, Haruko Imaizumi-Anraku, Kazuhiro Sasaki, Seishi Ikeda, Akio Tani, Sachiko Masuda, Ryoji Mitsui, Takashi Okubo
  • Organizer: 18th International Congress on Nitrogen Fixation
  • Place of Presentation: Miyazaki, Japan
  • Year and Date: 20131014-20131018
• [Presentation] Genome analysis suggests that the soil oligotrophic bacterium Agromonas oligotrophica (Bradyrhizobium oligotrophicum) is a nitrogen-fixing symbiont of Aeschynomene indica (2013)
  • Author(s): Takashi Okubo, Shohei Fukushima, Manabu Itakura, Kenshiro Oshima, Aphakorn Longtonglang, Neung Teaumroong, Hisayuki Mitsui, Masahira Hattori, Reiko Hattori, Tsutomu Hattori, Kiwamu Minamisawa
  • Organizer: 18th International Congress on Nitrogen Fixation
  • Place of Presentation: Miyazaki, Japan
  • Year and Date: 20131014-20131018
• [Presentation] Suppression of the colonization of Aureimonas sp. residing on leaf bundle sheath of Lotus japonicus by autoregulation of nodulation (2013)
  • Author(s): Mizue Anda, Seishi Ikeda, Shima Eda, Hisayuki Mitsui, Kiwamu Minamisawa
  • Organizer: 18th International Congress on Nitrogen Fixation
  • Place of Presentation: Miyazaki, Japan
  • Year and Date: 20131014-20131018
• [Presentation] Genome analysis of Methylobacterium sp. AMS5 from hypernodulated soybean stems (2013)
  • Author(s): Tomoyuki Minami, Mizue Anda, Takashi Okubo, Hisayuki Mitsui, Yoshiyuki Ohtsubo, Yuji Nagata, Masataka Tsuda, Kiwamu Minamisawa
  • Organizer: 18th International Congress on Nitrogen Fixation
  • Place of Presentation: Miyazaki, Japan
  • Year and Date: 20131014-20131018
• [Presentation] Impacts of low nitrogen fertilizer on the diversity of bacterial community in a phytosphere of sugabee (2013)
  • Author(s): Okazaki, K., Y. Kuroda, K. Taguchi, H. Takahashi, N. Koga and S. Ikeda
  • Organizer: 18th International Congress on Nitrogen Fixation
  • Place of Presentation: Miyazaki, Japan
  • Year and Date: 20131014-20131018
• [Presentation] A urea-formaldehyde fertilizer increases the diversity of bacterial communities in onion and sugarbeet (2013)
  • Author(s): keda, S., K. Suzuki, M. Kawahara, N. Takahashi and M. Noshiro.
  • Organizer: 18th International Congress on Nitrogen Fixation
  • Place of Presentation: Miyazaki, Japan
  • Year and Date: 20131014-20131018
• [Presentation] 農業微生物研究の課題と今後の展望について (2013)
  • Author(s): 池田成志
  • Organizer: 平成25年度九州沖縄農業試験研究推進会議生産環境部会土壌肥料研究会
  • Place of Presentation: 大分
  • Year and Date: 20131003-20131004
  • Invited
• [Presentation] 土壌凍結融解が亜酸化窒素放出に関わる土壌微生物群集に与える影響 (2013)
  • Author(s): 関口萌子, 海野祐介, 岩田幸良, 清水真理子, 波多野隆介, 信濃卓郎
  • Organizer: 日本土壌肥料学会
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 20130911-20130913
• [Presentation] 植物共生微生物群集への地球温暖化影響評価のためのFACE研究とイネ共生系の全容解明の試み (2013)
  • Author(s): 池田成志、大久保卓
  • Organizer: 日本土壌肥料学会2013年度大会
  • Place of Presentation: 名古屋
  • Year and Date: 20130911-20130913
• [Presentation] 新規植物共生細菌 Aureimonas sp. AU20 のゲノム解析 (2013)
  • Author(s): 按田瑞恵、大坪嘉行、大久保卓、三井久幸、永田裕二、津田雅孝、南澤究
  • Organizer: 植物微生物研究会第23回研究交流会
  • Place of Presentation: 岡崎
  • Year and Date: 20130907-20130909
• [Presentation] 根粒超着生ダイズから分離された Methylobacterium sp.AMS5 のゲノム解 析とミヤコグサにおける着生パターン (2013)
  • Author(s): 南智之,按田瑞恵,大久保卓,三井久幸,大坪嘉行,永田裕二,津田雅孝, 南澤究
  • Organizer: 植物微生物研究会第23回研究交流会
  • Place of Presentation: 岡崎
  • Year and Date: 20130907-20130909
• [Presentation] N2O emission during nitrogen transformation in soybean rhizosphere (2013)
  • Author(s): Kiwamu Minamisawa, Shoko Inaba, Makoto Moriuchi, Fumio Ikenishi, Yuko Takada-Hoshino, Masahito Hayatsu, Manabu Itakura, Yoko Shiina, Shima Eda, Naohiko Chiba, Chie Katsuyama, Yuichi Suwa, Hisayuki Mitsui
  • Organizer: 3rd International Conference on Nitrification (ICoN3)
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 20130902-20130905
• [Presentation] Soybean symbiosis with Bradyrhizobium japonicum: Evolution and global warming (2013)
  • Author(s): Kiwamu Minamisawa
  • Organizer: The 22th North American Conference on Symbiotic Nitrogen Fixation
  • Place of Presentation: Minneapolis, USA
  • Year and Date: 20130714-20130717
  • Invited
• [Presentation] 作物根圏における窒素と微生物の相互作用 (2013)
  • Author(s): 南澤 究
  • Organizer: 日本土壌微生物学会2013年度大会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 20130620-20130621
  • Invited
• [Presentation] ジャガイモ根関連細菌の培養解析 (2013)
  • Author(s): 染谷信孝、海野祐介、信濃卓郎、津田昌吾、池田成志、関口博之
  • Organizer: 日本土壌微生物学会2013年度大会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 20130620-20130621
• [Presentation] ジャガイモから分離した共生細菌の圃場における接種効果 (2013)
  • Author(s): 関口博之、染谷信孝、土田勝一、浅野目謙之、森一幸、池田成志
  • Organizer: 日本土壌微生物学会2013年度大会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 20130620-20130621
• [Presentation] ウレアホルム入り肥料で栽培したタマネギ鱗茎部およびテンサイ主根部の微生物群集構造解析 (2013)
  • Author(s): 池田成志、鈴木慶次郎、河原誠、高橋直和、皆川彰、能代昌雄
  • Organizer: 日本土壌微生物学会2013年度大会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 20130620-20130621
• [Presentation] ダイズ根圏のN2O発生機構と根粒菌による削減、シンポジウム「微生物で植物と動物を操る環境バイオテクノロジー」 (2013)
  • Author(s): 南澤 究
  • Organizer: 環境バイオテクノロジー学会2013年度大会
  • Place of Presentation: 北九州
  • Year and Date: 20130530-20130601
  • Invited
• [Presentation] 農業微生物のゲノム研究：温室効果ガス削減と作物共生微生物の活性化
  • Author(s): 南澤 究
  • Organizer: 農業微生物研究シンポジウム「微生物機能を活用した自然共生型農業の探求」
  • Place of Presentation: 帯広
  • Invited
• [Presentation] N2O paradox of legume rhizosphere and its mitigation
  • Author(s): 南澤 究
  • Organizer: 2013年度東京大学生物生産工学研究センターシンポジウム
  • Place of Presentation: 東京
  • Invited
• [Presentation] 植物共生微生物のメタゲノム解析
  • Author(s): 南澤 究、大久保 卓
  • Organizer: Roche Scientific Symposium 2013
  • Place of Presentation: 東京
  • Invited
• [Presentation] テンサイ細根に共生する細菌の単離
  • Author(s): 岡崎和之、黒田洋輔、田口和憲、髙橋宙之、池田成志
  • Organizer: グリーンテクノバンク・てん菜研究会 第11回技術研究発表会
  • Place of Presentation: 札幌
• [Presentation] 植物共生微生物の群集構造解析による有機栽培作物の微生物特性の解明
  • Author(s): 池田成志
  • Organizer: 有機農業研究者会議2013
  • Place of Presentation: つくば
  • Invited
• [Book] Molecular Microbial Ecology of the Rhizosphere Vol. 2 (2013)
  • Author(s): Unno, Y. and Shinano, T.
  • Total Pages: 1328 (1099-1103 )
  • Publisher: Wiley-Blackwell Publishers