N_2O抑止型脱窒系構築のための根粒菌ゲノム生態学の開拓

• 研究課題/領域番号: 14360037
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 植物栄養学・土壌学
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 南澤 究 東北大学, 大学院・生命科学研究科, 教授 (70167667)
• 研究分担者: 鮫島 玲子 東北大学, 大学院・生命科学研究科, 日本学術振興会特別研究員
• 研究期間 (年度): 2002 – 2004
• 研究課題ステータス: 完了 (2004年度)
• 配分額: 14,900千円 (直接経費: 14,900千円); 2004年度: 2,500千円 (直接経費: 2,500千円); 2003年度: 2,600千円 (直接経費: 2,600千円); 2002年度: 9,800千円 (直接経費: 9,800千円)
• キーワード: 根粒菌 / 脱窒 / 亜酸化窒素(N_2O) / nosZ / 共生 / ダイズ / 亜酸化窒素 / ^<15>N

研究概要

本研究は、ダイズ根粒菌の遺伝生態、脱窒の分子生物学、微生物ゲノム科学の成果を駆使して、共生細菌の特性を生かしたN_2O抑止型脱窒生態系構築の学術的な基盤を明らかにすることを目標として実施した。
TCDガスクロによる^<15>N/TCD定量法を開発し、Bradyrhizobium属根粒菌の脱窒の最終産物である^<15>N_2の測定が可能となった。本法により完全脱窒能を保持している株が優先している圃場と、N_2Oを発生するB.japonicumが優先している圃揚のあることが明らかとなった。系統的にはダイズ根粒菌B.japonicumは2つのcluster BJ1,BJ2に分かれ、それぞれN_2放出型、N_2O放出型で構成された。B.japonicumはnapAB, nirK, norCBを必ず保有し、さらにN_2放出型のBJ1株のみがN_2O還元酵素(N_2OR)遺伝子(nosZ)までの全脱窒遺伝子を保有していた。
B.japonicum USDA11Oの培養菌体は、嫌気条件下でN_2OR活性を示したが、nosZ破壊株では活性が消失した。nos遺伝子群を含むコスミドをnosZ破壊株に導入したところ、N_2OR活性が回復し、N_2OR活性はnos遺伝子群に依存していることが明らかとなった。B.japonicum USDA110およびnosZ破壊株を接種したダイズ根粒のN_2OR活性を^<15>N_2Oガスにより検討したところ、nosZ遺伝子に依存して根粒は^<15>N_2Oを取込みその98%以上を^<15>N_2として放出していることが明かとなった。さらに根粒根圏においても強力なN_2O除去能が観察された。
以上の結果から、農耕地土壌にはnos遺伝子を保有していないBJ2株が多数生息しており、nos遺伝子群導入株やBJ1株を接種することにより、ダイズ圃場から放出されるN_2O fluxを低減できる可能性が示唆された。

研究成果

• [雑誌論文] New method of denitrification analysis of Bradyrhizobium field isolates by gas chromatographic determination of ^<15>N-N_2. (2004)
  • 著者名/発表者名: Sameshima-Saito, R., K.Chiba, K.Minamisawa
  • 雑誌名: Appl.Environ.Microbiol 70 ページ: 2886-2891
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Expression islands clustered on symbiosis island of Mesorhizobium loti genome. (2004)
  • 著者名/発表者名: Uchiumi, T., T.Ohwada, et al.
  • 雑誌名: J.Bacteriol. 186 ページ: 2439-2448
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] New method of denitrification analysis of Bradyrhizobium field isolates by gas chromatographic determination of ^<15>N-N_2. (2004)
  • 著者名/発表者名: Sameshima-Saito, R., K.Chiba, K.Minamisawa
  • 雑誌名: Appl.Environ.Microbiol. 70 ページ: 2886-2891
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Expression islands clustered on symbiosis island of Mesorhizobium loti genome. (2004)
  • 著者名/発表者名: Uchiumi, T., T.Ohwada, M.Itakura, H.Mitsui, N.Nukui, P.Dawadi, T.Kaneko, S.Tabata, T.Yokoyama, T.Tejima, K.Saeki, H.Omori, M.Hayashi, T.Maekawa, R.Sriprang, Y.Murooka, S.Tajima, K.Simomura, M.Nomura, A.Suzuki, Y.Shimoda, K.Sioya, M.Abe, d K.Minamisawa
  • 雑誌名: J.Bacteriol. 186 ページ: 2439-2448
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] New method of denitrification analysis of Bradyrhizobium field isolates by gas chromatographic determination of ^<15>N-N_2 (2004)
  • 著者名/発表者名: Sameshima-Saito, R., Chiba, K., Minamisawa, K.
  • 雑誌名: Appl.Environ.Microbiol. 70・5 ページ: 2886-2891
• [雑誌論文] Expression islands clustered on symbiosis island of Mesorhizobium loti genome (2004)
  • 著者名/発表者名: Uchiumi, T, Minamisawa K.(共著者24名)
  • 雑誌名: J.Bacteriol. 186・8 ページ: 2439-2448
• [雑誌論文] Novel endophytic nitrogen-fixing clostridia from the grass Miscanthus sinensis as revealed by terminal restriction length polymorphism (2004)
  • 著者名/発表者名: Miyamoto, T., Kawahara, M, Minamisawa, K.
  • 雑誌名: Appl.Environ.Microbiol. 70・11 ページ: 6580-6586
• [雑誌論文] Evaluation of soil DNAs from arable lands in Japan with a modified direct extraction method (2004)
  • 著者名/発表者名: Ikeda, S., Watanabe, K., Minamisawa, K., You, N.
  • 雑誌名: Microbes Environments. 19・4 ページ: 301-309
• [雑誌論文] Phylogeny and distribution of extra-slow-growing Bradyrhizobium japonicum harboring high copy numbers of RSα, RSβ and IS1631 (2003)
  • 著者名/発表者名: Sameshima, R., T.Isawa, M.J.Sadowsky, T.Hamada, H.Kosai, et al.
  • 雑誌名: FEMS Microbiol.Ecol. 44 ページ: 191-202
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Phylogeny and distribution of extra-slow-growing Bradyrhizobium japonicum harboring high copy numbers of RSα, RSβ and IS1631. (2003)
  • 著者名/発表者名: Sameshima, R., T.Isawa, M.J.Sadowsky, T.Hamada, H.Kosai, A.Shutsrirung, H.Mitsui, K.Minamisawa
  • 雑誌名: FEMS Microbiol.Ecol. 44 ページ: 191-202
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Complete genomic sequence of nitrogen-fixing symbiotic bacterium Bradyrhizobium japonicum USDA110. (2002)
  • 著者名/発表者名: Kaneko, T., Y.Nakamura, S.Sato, K.Minamisawa, et al.
  • 雑誌名: DNA Research. 9 ページ: 189-197
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Complete genomic sequence of nitrogen-fixing symbiotic bacterium Bradyrhizobium japonicum USDA110. (2002)
  • 著者名/発表者名: Kaneko, T., Y.Nakamura, S.Sato, K.Minamisawa, T.Uchiumi, S.Sasamoto, A.Watanabe, K.Idesawa, M.Iriguchi, K.Kawashima, M.Kohara, M.Matsumoto, S.Shimpo, H.Tsuruoka, T.Wada, M.Yamada, S.Tabata
  • 雑誌名: DNA Research. 9 ページ: 189-197
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Sameshima, R., Isawa, T, Sadowsky, M.J., Hamada, T., Kasai, H., Shutsrirung, A, Mitsui, H, Minamisawa, K.: "Phylogeneny and distribution of extra-slow-growing Bradyrhizobium japonicum harboring high copy numbers of RSα, RSβ and IS1631"FEMS Microbiol.Ecol.. 44. 191-202 (2003)
• [文献書誌] Okazaki, S., Yuhashi, K., Minamisawa, K.: "Quantitative and time-course evaluation of nodulation competitiveness of rhizobitoxine-producing Bradyrhizobium elkanii"FMES Microbiol.Ecol.. 45(1). 155-160 (2003)
• [文献書誌] Okazaki, S., Sugawara, M., Minamisawa, K.: "Bradythizobium elkanii rtxC gene is required for expression of symbiotic phenotypes in the final step of rhizobitoxine biosynthesis"Appl.Environ.Microbiol.. 70(1). 535-541 (2004)
• [文献書誌] Uchiumi, T., Minamisawa, K.(共著者24名): "Expression islands clustered on symbiosis island of Mesorhizobium loti genome"J.Bacteriol.. (印刷中).
• [文献書誌] Sameshima-Saito, R., CHiba, K., Minamisawa, K.: "New Method of denitrification analysis of Bradyrhizobium field isolates by gaschromatographic determination of ^<15>N-N_2"Appl.Environ.Microbiol.. (印刷中).
• [文献書誌] Nukui, N., Ezura, H., Minamisawa, K.: "Transgenic Lotus japonicus with an ethylen receptor gene Cm-ERS1/H70A enhances formation of infection treads and nodule primordia"Plant Cell Physiol.. (印刷中).
• [文献書誌] Minamisawa K. et al.: "Horizontal transfer of nodulation genes in soils and microcosms from Bradyrhizobium japonicum to B. elkanii"Microbe. Environ.. 17. 82-90 (2002)
• [文献書誌] Kaneko, T. et al.: "Complete genomic sequence of nitrogen-fixing symbiotic bacterium Bradyrhizobium japonicum USDA110"DNA Research. 9. 189-197 (2002)
• [文献書誌] Sameshima, R. et al.: "Phylogeny and distribution of extra-slow-growing Bradyrhizobium japonicum harboring high copy numbers of RS-alpha, RS-beta, and IS 1631"FEMS Microbiol. Ecol.. (in press). (2003)
• [文献書誌] Okazaki.S.et al.: "Quantitative and time-course evaluations on nodulation competitiveness of rhizobitoxine-producing Bradyrhizobium elknaii"FEMS Microbiol. Ecol.. (第1回審査後改訂稿作成中). (2003)
• [文献書誌] Kaneko, T. et al.: "Complete genomic sequence of nitrogen-fixing symbiotic bacterium Bradyrhizobium japonicum USDA110 (Supplement)"DNA Research. 9. 225-256 (2002)
• [文献書誌] Kaneko, T., Saeki, T., Minamisawa, K.: "Genome analysis of Mesorhizobium loti : A symbiotic partner to Lotus japonicus. In Biotechnology in Agriculture and Forestry"Springer-Verlag, Heidelberg (in press). 203-216 (2003)