急変する北極ツンドラ生態系における土壌微生物の多様性と機能・応答性の解明

• Project/Area Number: 18H03413
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 64040:Social-ecological systems-related
• Research Institution: National Institute of Polar Research
• Principal Investigator: 内田 雅己 国立極地研究所, 国際北極環境研究センター, 准教授 (70370096)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大園 享司 同志社大学, 理工学部, 教授 (90335307) ; 森 章 横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 准教授 (90505455)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2020: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2019: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2018: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
• Keywords: 極地 / 極域

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、グローバル・ライントランセクト調査によって、カナダ北極ツンドラ生態系における土壌微生物の種多様性を解明し、その多様性を規定する環境要因を解明する。さらに、土壌微生物群集が潜在的に保有、および既に発現している機能を解明し、急速に変化している北極ツンドラ生態系に与える土壌微生物の影響を推定することを目的とする。
カナダ東側の北極ツンドラ域は北緯55度－84度に分布しており、直線距離にして3000kmを超える。最南端の森林限界付近のクジュアラピックでは、年平均気温が－4度、7月の気温が13度、無雪期間は5－9月と5ヶ月もある。一方、最北の調査地であるワードハント島は年平均気温が－17度で7月の平均気温でも－1度と氷点下であり、無雪期間は1ヶ月弱という非常に厳しい場所である。
本年度はカナダ東部・クジュアラピックの北に位置するサルイットおよびさらに北のポンドインレットの土壌からDNAとRNAを抽出した。増幅した遺伝子領域は次世代シーケンサーで塩基配列を解読したのち、遺伝子型による分類および遺伝子型の存在割合を明らかにした。
マイクロアレイ分析のため、試料をアメリカの分析機関に輸送した。分析にかなりの時間を要したが、年度内にデータが送られてきた。得られたデータを元に微生物の機能群に関する情報の分析を現在行っている。
サルイットの土壌から検出した遺伝子数は、クジュアラピックの土壌とほぼ同じ水準であり、機能遺伝子数についても同様の傾向が認められた。一方、機能遺伝子（DNA）のα多様性は、クジュアラピックよりもサルイットの方が、ばらつきは小さくなっていた。主成分分析の結果によると、クジュアラピックとサルイットのDNAに基づく群集は分かれていたことから、異なる微生物群集が両地域には生息しているものの、機能の視点では似通っていることが示唆されてきている。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

土壌試料からのDNAおよびRNAの同時抽出やその後のPCRによる増幅を安定的に実施できるようになり、分析試料の作成を確実に実施できるようになったこと。また、アメリカへの冷凍サンプルの輸送についても、速やかに行えるようになった。得られたデータ量が膨大なため、現有の解析用コンピュータではかなりの時間を要しているが、これまでに一定程度の結果が得られてきている。

Strategy for Future Research Activity

得られたマイクロアレイ分析結果を用いて、クジュアラピック、サルイットおよびポンドインレットにおける土壌微生物の機能について、発現している機能および潜在的な機能について、調査地毎の特性を調べるとともに、調査地間の比較を実施する。
カナダ・最北部の土壌からDNAおよびRNAを抽出し、増幅させる。次世代シーケンサーで塩基配列を決定する。それぞれの試料について遺伝子型による分類および遺伝子型の存在割合を明らかにする。試料はマイクロアレイ分析のためにアメリカの機関へ分析を依頼する予定だが、新型コロナウイルス蔓延の影響により、アメリカへのサンプルの冷凍便での輸送、その後の分析機関による分析が予定通りできない可能性がある。状況が好転しない場合は、これまでに得られたデータを用いて調査地の環境データを組み入れ、温度環境などと土壌微生物群集やその機能について比較研究を実施するとともに、温暖化による応答の可能性について分析・考察する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ケベック大学/ラバル大学/トロント大学(カナダ)
• [Int'l Joint Research] Laval University/Quebec University(カナダ)
• [Journal Article] Vishniacozyma ellesmerensis sp. nov., a psychrophilic yeast isolated from a retreating glacier in the Canadian High Arctic (2019)
  • Author(s): Tsuji Masaharu、Tanabe Yukiko、Vincent Warwick F.、Uchida Masaki
  • Journal Title: International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology Volume: 69 Pages: 696-700
  • DOI: 10.1099/ijsem.0.003206
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mrakia hoshinonis sp. nov., a novel psychrophilic yeast isolated from a retreating glacier on Ellesmere Island in the Canadian High Arctic (2019)
  • Author(s): Tsuji Masaharu、Tanabe Yukiko、Vincent Warwick F.、Uchida Masaki
  • Journal Title: International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology Volume: 69 Pages: 944-948
  • DOI: 10.1099/ijsem.0.003216
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Soil microbial functions at the Canadian sub-Arctic. (2020)
  • Author(s): Uchida M., Wong S.K., Kaneko R.
  • Organizer: Colloque annuel du CEN 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fungal diversity in a forest-tundra ecotone in Canadian Low Arctic. (2020)
  • Author(s): Matsuoka S., Doi H., Masumoto S., Kitagawa R., Nishizawa K., Tanaka K., Hasegawa M., Osono T., Hobara S., Mori A.S.
  • Organizer: Sixth International Symposium on Arctic Research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Taxonomic, functional, and phylogenetic diversity of fungi in a forest-tundra ecotone in Quebec. (2019)
  • Author(s): Osono M., Matsuoka S., Doi H., Masumoto S., Kitagawa R., Nishizawa K., Tanaka K., Hasegawa M., Hobara S., Mori A., Uchida M.
  • Organizer: The 10th Symposium on Polar Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A preliminary study of microbial function in the soil at Canadian sub-Arctic. (2019)
  • Author(s): Uchida M., Kaneko R.
  • Organizer: The 10th Symposium on Polar Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of plant community structure on soil respiration of tundra ecosystem through multiple ecosystem functions in Canadian Arctic. (2018)
  • Author(s): Masumoto, S., Kitagawa, R., Kaneko, R., Nishizawa, K., Iimura, Y., Osono, T., Hasegawa, M., Uchida M., Mori, A.S.
  • Organizer: ArcticNet, Arctic Scientific Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Change in multi-taxa communities along an environmental gradient in the Canadian subarctic tundra. (2018)
  • Author(s): Kitagawa, R., Kaneko, R., Hasegawa, M., Matsuoka, S., Masumoto, S., Nishizawa, K., Osono, T., Uchida, M., Mori, A.S.
  • Organizer: ArcticNet, Arctic Scientific Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fungal diversity on a retreating glacier area on Ellesmere Island in the Canadian High Arctic. (2018)
  • Author(s): Tsuji, M., Tanabe, Y., Vincent W.F., Uchida M.
  • Organizer: The 9th Symposium on Polar Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Soil bacterial communities and environments in the Canadian subarctic tundra. (2018)
  • Author(s): Kaneko, R., Kitagawa, R., Nishizawa, K., Mori, A.S., Masumoto, S., Uetake, J., Tsuji, M., Uchida, M.
  • Organizer: The 9th Symposium on Polar Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Bacterial communities and diversities in tundra soils from Canadian Arctic. (2018)
  • Author(s): Kaneko, R., Kitagawa, R., Nishizawa, K., Mori, A.S., Masumoto, S., Uetake, J., Tsuji, M., Uchida, M.
  • Organizer: ArcticNet, Arctic Scientific Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Assessment of fungal diversity on plant litter in a subarctic tundra. (2018)
  • Author(s): Osono, T., Tanaka K., Matsuoka S., Kitagawa R., Masumoto, S., Nishizawa, K., Hasegawa, M., Uchida, M., Mori, A.S.
  • Organizer: The 9th Symposium on Polar Science
  • Int'l Joint Research
• [Book] Diversity and Ecology of Fungi in Polar Region: Comparisons between Arctic and Antarctic Plant Remains. (2019)
  • Author(s): Osono T., Matsuoka S., Hobara S., Hirose D., Uchida M.
  • Total Pages: 152
  • Publisher: CRC Press
  • ISBN: 9781138089709
• [Remarks] 研究活動紹介
  • URL: https://www.instagram.com/mu_arctic/
• [Remarks] 高緯度北極ツンドラ生態系に及ぼす気候変動の影響
  • URL: https://www.researchinsvalbard.no/project/6256
• [Remarks] 国立極地研究所陸上生物研究チーム
  • URL: http://polaris.nipr.ac.jp/~penguin/Terrestrial/index.php
• [Remarks] リサーチマップ
  • URL: https://researchmap.jp/m_uchida
• [Remarks] 北極圏ツンドラ
  • URL: http://akkym.net/about/arctic/
• [Funded Workshop] Functions of the Arctic Tundra Ecosystem Under Rapid Environmental Change (2018)