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・評価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度と氷点下で有り、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・北極ツンドラの森林限界に近いクジュアラピックの土壌からDNAとRNAを抽出し、PCR法で増幅した。増幅が芳しくないサンプルが多かったため、DNAとRNAの土壌からの抽出・生成方法およびPCRによる増幅方法の条件検討を詳細に行った。
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、試料の一部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。送られてきたデータを元に、微生物の機能群に関する情報の分析を現在行っている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度はカナダ北極ツンドラ土壌からDNAおよびRNAの抽出、PCRによる遺伝子の増幅を安定的にできるよう、手法の改良および遺伝子が増幅できた試料については、次世代シーケンサーで塩基配列を決定したのち、土壌中の細菌類および真菌類の機能遺伝子も明らかにするため、マイクロアレイ分析をアメリカの機関に依頼分析するためのロジスティクス面の確立も重要課題だった。
分析試料はカナダ東部の森林限界付近であるクジュアラピックで採取した土壌試料を用いた。試料からDNAおよびRNAを同時に抽出する方法の検討を行い、高品質なDNAおよびRNAの抽出が可能となった。次世代シーケンサーによる塩基配列の決定も順調に進めることができた。
一方、マイクロアレイ分析の依頼分析については、アメリカの機関との情報のやりとりが電子メールベースであったことや、分析機関で分析順序の調整が上手くいかなかったため、試料を送ってからデータが届くまでにかなりの時間を要した。データは2019年3月初めに取得できた。現在は送られてきたデータの分析を行っているところである。DNAの機能遺伝子数（＝潜在的な機能遺伝子数）は80000～100000、実際に土壌中で機能していると考えられるRNAについては、60000～70000の機能遺伝子が検出された。検出された遺伝子のうち、9割は細菌類由来であることが判明し、現在、機能遺伝子群について詳細に情報を整理している状況である。

Strategy for Future Research Activity

ポンドインレットの土壌から細菌類・真菌類由来のDNAおよびRNAの抽出をクジュアラッピックの土壌で得られたレベル以上に進展・向上させて、DNAおよびRNAを抽出し・精製を行う。PCRによる遺伝子増幅の条件検討をしたのち、DNA、RNAを増幅させる。次世代シーケンサーで塩基配列を決定する。上記の行程にそれほど時間を要しない場合は、カナダ高緯度北極のワードハント島で採取された土壌についても上記と同様に手法の検討を行い、土壌中の細菌類・真菌類のDNAおよびRNAの抽出・精製・増幅を行い、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。一部の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。得られたマイクロアレイ分析データを元に、潜在的および発現している土壌細菌類・真菌類の機能遺伝子を明らかにする。その後、時間があればクジュアラピック、ポンドインレット、ワードハント島それぞれの地域内で、遺伝子型数、潜在的および発現している機能遺伝子などと環境要因との関係性について統計的な解析を始める予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Laval University/Quebec University(カナダ)
• [Journal Article] Vishniacozyma ellesmerensis sp. nov., a new 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] 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
• [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)