地球最古の地下水圏環境に生息する微生物群のゲノム進化と存続メカニズムの解明

• 研究課題/領域番号: 20K20429
• 補助金の研究課題番号: 19H05503 (2019)
• 研究種目: 挑戦的研究(開拓)
• 配分区分: 基金 (2020); 補助金 (2019)
• 審査区分: 中区分17:地球惑星科学およびその関連分野
• 研究機関: 国立研究開発法人海洋研究開発機構
• 研究代表者: 稲垣 史生 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 研究プラットフォーム運用開発部門, 室長 (50360748)
• 研究分担者: 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) ; 星野 辰彦 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(高知コア研究所), 主任研究員 (30386619) ; 浦本 豪一郎 高知大学, 教育研究部総合科学系複合領域科学部門, 講師 (70612901)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 25,740千円 (直接経費: 19,800千円、間接経費: 5,940千円); 2021年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円); 2020年度: 9,100千円 (直接経費: 7,000千円、間接経費: 2,100千円); 2019年度: 10,660千円 (直接経費: 8,200千円、間接経費: 2,460千円)
• キーワード: 地下生命圏 / 微生物群集構造 / 生命居住可能性 / メタゲノム解析 / メタトランスクリプトーム解析 / 生命生息可能条件 / 閉鎖系地下水圏環境

研究開始時の研究の概要

本研究では、カナダ・オンタリオ州のキッド・クリーク鉱山で発見された地下約2.4kmから湧出する地球最古（始生代、約26.4億年前）の閉鎖系地下水圏を対象に、水・エネルギー供給がほぼ皆無の超極限環境に生息する微生物群の量、多様性、代謝活性、ゲノム構造・機能に関する調査と分析研究を実施することで、非生物学的な地化学反応等に依存する地球共生型の微生物生態系の存在とゲノム進化、存続メカニズム等を理解する。

研究成果の概要

カナダ・オンタリオ州のキッド・クリーク鉱山には、始生代約26.4億年前のものと推定される世界最古の地下水圏環境の存在が発見されている。本研究では、カナダ・トロント大学と共同で、地下約2.4 kmの水平抜水井に中空糸膜フィルターを設置し、膜に捕集された地下水圏微生物群集のメタゲノム及びメタトランスクリプトーム解析を実施した。その結果、地下水1 mLに100細胞程度のProteobacteria門やFirmicutes門に属する活動的な細菌群が存在し、アルカン分解や水素・炭素・硫黄・ヒ素化合物の酸化還元反応等の生物地球化学的な元素循環に寄与していることが示唆された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

陸域や海底下深部において微生物生態系が存続するには、水と栄養・エネルギー基質の持続的な供給があり、それらの供給フラックスが生命・生態系の維持に必要な最低限のエネルギー消費量を上回っている必要がある。本研究では、世界最古（約26.4億年前）の地下水圏環境に生息する微小な微生物群集が、非生物学的な岩石―水反応により生じる栄養・エネルギー基質を基幹物質として利用しつつ、地質学的な時間スケールで生態系機能を維持してきた可能性がある。本研究成果は、準閉鎖的な極限環境における生命・生態系存続メカニズムの学術的理解を深化させ、惑星地球や他の天体における生命居住可能性や持続可能性の理解に貢献するものである。

研究成果

• [国際共同研究] トロント大学(カナダ)
• [国際共同研究] トロント大学(カナダ)
• [国際共同研究] トロント大学(カナダ)
• [雑誌論文] Rapid metabolism fosters microbial survival in the deep, hot, subseafloor biosphere (2022)
  • 著者名/発表者名: Beulig, F., Schubert, F., Adhikari, R. R., Glombitza, C., Heuer, V. B., Hinrichs, K.-U., Inagaki, F., Jorgensen, B. B., Kallmeyer, J., Krause, S. J. E., Morono, Y., Sauvage, J., Spivack, A. J., and Treude, T.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41467-021-27802-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] volution of (Bio-)geochemical Processes and Diagenetic Alteration of Sediments Along the Tectonic Migration of Ocean Floor in the Shikoku Basin off Japan (2021)
  • 著者名/発表者名: Koester, M., M. Kars, F. Schubotz, M-Y. Tsang, M. Maisch, A. Kappler, Y. Morono, F. Inagaki, V. B. Heuer, S. Kasten, and S. Henkel
  • 雑誌名: Geochemistry, Geophysics, Geosystems 巻: 22 号: 8
  • DOI: 10.1029/2020gc009585
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High Fluid-Pressure Patches Beneath the Decollement: A Potential Source of Slow Earthquakes in the Nankai Trough off Cape Muroto (2021)
  • 著者名/発表者名: T. Hirose, Y. Hamada, W. Tanikawa, N. Kamiya, Y. Yamamoto, T. Tsuji, M. Kinoshita, V. B. Heuer, F. Inagaki, Y. Morono, Y. Kubo
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Solid Earth 巻: 126 号: 6
  • DOI: 10.1029/2021jb021831
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Workshop report: Exploring deep oceanic crust off Hawai`i (2021)
  • 著者名/発表者名: Umino, S., Moore, G. F., Boston, B., Coggon, R., Crispini, L., D’Hondt, S., Garcia, M. O., Hanyu, T., Klein, F., Seama, N., Teagle, D. A. H., Tominaga, M., Yamashita, M., Harris, M., Ildefonse, B., Katayama, I., Kusano, Y., Suzuki, Y., Trembath-Reichert, E., Yamada, Y., Abe, N., Xiao, N., and Inagaki, F.
  • 雑誌名: Scientific Drilling 巻: 29 ページ: 69-82
  • DOI: 10.5194/sd-29-69-2021
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Temperature limits to deep subseafloor life in the Nankai Trough subduction zone (2020)
  • 著者名/発表者名: Heuer Verena B.、Inagaki Fumio、Morono Yuki、Kubo Yusuke、Spivack Arthur J.、Viehweger Bernhard、Treude Tina、Beulig Felix、Schubotz Florence、Tonai Satoshi、Bowden Stephen A.、Cramm Margaret、Henkel Susann、Hirose Takehiro、Homola Kira、Hoshino Tatsuhiko、Ijiri Akira、Imachi Hiroyuki、Kamiya Nana、et al.
  • 雑誌名: Science 巻: 370 号: 6521 ページ: 1230-1234
  • DOI: 10.1126/science.abd7934
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Aerobic microbial life persists in oxic marine sediment as old as 101.5 million years (2020)
  • 著者名/発表者名: Morono Yuki、Ito Motoo、Hoshino Tatsuhiko、Terada Takeshi、Hori Tomoyuki、Ikehara Minoru、D’Hondt Steven、Inagaki Fumio
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 3626-3626
  • DOI: 10.1038/s41467-020-17330-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Global diversity of microbial communities in marine sediment (2020)
  • 著者名/発表者名: Hoshino Tatsuhiko、Doi Hideyuki、Uramoto Go-Ichiro、Wormer Lars、Adhikari Rishi R.、Xiao Nan、Morono Yuki、D’Hondt Steven、Hinrichs Kai-Uwe、Inagaki Fumio
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 117 号: 44 ページ: 27587-27597
  • DOI: 10.1073/pnas.1919139117
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] M2Mマントル掘削計画と951-フルプロポーザル: ハワイ沖ノースアーチの成熟した地殻掘削 (2021)
  • 著者名/発表者名: 海野 進, 稲垣 史生, ティーグル デーモン, 山下 幹也, ムーア グレゴリー, イルデフォンス ブノア, ドント ステーブン, クリスピーニ ラウラ, 羽生 毅, ガルシア マイケル, 森下 知晃
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2021年大会
  • 招待講演
• [学会発表] Exploring the deep biosphere-frontier beneath the ocean: A geobiological perspective on the oceanic crust and the underlying upper mantle (2021)
  • 著者名/発表者名: 稲垣史生
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2021年大会
  • 招待講演
• [学会発表] 海底下の微生物起源ガスシステムに関する 地球微生物学的考察 (2021)
  • 著者名/発表者名: 稲垣史生
  • 学会等名: 石油技術協会春季講演会
• [学会発表] The nature and limits of the deep subseafloor biosphere: A geomicrobiological perspective on the oceanic crust and upper mantle (2021)
  • 著者名/発表者名: 稲垣史生
  • 学会等名: The Tokai University Workshop “Challenges of Marine Observations and Development of International Collaboration”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 極限環境微生物から読み解く地球外生命の可能性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 鈴木志野
  • 学会等名: 第31回 自然科学研究機構シンポジウム
• [学会発表] 惑星ハビタビリティーの拡大：不溶性リン酸塩鉱物の生命利用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 鈴木志野
  • 学会等名: 第9回宇宙における生命ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] Exploring the limits of deep subseafloor life and geosphere-biosphere interactions through scientific ocean drilling (2019)
  • 著者名/発表者名: Fumio Inagaki
  • 学会等名: European Geophysical Union General Assembly
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Missions to the upper mantle: Toward the most challenging endeavor in geosciences (2019)
  • 著者名/発表者名: Fumio Inagaki
  • 学会等名: Deep Carbon Observatory, Deep Carbon 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Exploring the HP (High Pressure) deep biosphere through scientific ocean drilling (2019)
  • 著者名/発表者名: Fumio Inagaki
  • 学会等名: NSF-Research Coordination Network (RCN) Extreme Biology-Biophysics Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Exploring the deep biosphere beneath the ocean: Perspective on planetary habitability (2019)
  • 著者名/発表者名: Fumio Inagaki
  • 学会等名: 国際マリンバイオテクノロジー学会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 海底下に広がる地下微生物生態系の探究と人類未到のマントルへの道 (2019)
  • 著者名/発表者名: 稲垣史生
  • 学会等名: 一般財団法人バイオインダストリー協会「未来へのバイオ技術勉強会」
  • 招待講演
• [図書] 号外地球「海洋科学掘削によるマントル到達への挑戦ー地球最大のフロンティアに挑むー」 (2022)
  • 著者名/発表者名: 稲垣史生, 倉本真一, 平朝彦
  • 総ページ数: 151
  • 出版者: 海洋出版株式会社
• [備考] Fumio Inagaki, PhD| GEOMICROBIOLOGIST
  • URL: https://www.fumio-inagaki.com