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生態系機能と群集組成の結びつけという生態学で最も重要かつ根源的な問いを、河川生態系基盤として重要でありながら技術的な困難さから見過ごされてきた微生物膜を対象として検証した。また、生態系機能‐生物群集の関係に三次元構造を取り入れ、ユニークな発想で取り組んできた。
[作業仮説]微生物膜の三次元構造を作り出す上で、縦横(xy)面と深さ(z軸)の決定要因が異なる。環境要因の差がxy面では小さく、xy面の種の分布は膜内の環境要因よりも種間相互作用に影響される。逆に、z軸における微生物の分布は、拡散率の差によって溶存酸素や有機物といった環境要因の濃度に垂直方向の差が出る為、種間相互作用より環境要因によって決められる。
1.河川水を用いて微生物膜をフローセルで培養した。膜内ミクロ環境をガラス微小電極で測定し、16S rRNA遺伝子を対象にFISHを行いCLSMで分析する事で、種組成と三次元構造の決定要因の特定を図った。種組成と三次元構造は膜内の溶存有機物や酸素の濃度勾配に加えて、定着の順序が重要であった。
2.種組成と三次元構造をパターン化する為、三次元格子状のモデルを環境要因とそれらへの依存度が異なる種間の相互作用から構築した。パターン化には、遺伝学的分類に加えて生態系機能群のような特徴を表す分類法の不可欠さが示唆された。
3.実験1の手法を用いて、膜外環境の変化が微生物膜の三次元構造と種組成の変化を通して有機物分解機能に与える影響を調べた。落葉の浸出液を添加して環境を変化させ、それらへの応答を解析した。蛍光ラベル基質を用いて有機物分解に関わる特定の酵素の活性を測定した。CLSMを用いて微生物種と分解酵素の空間分布を同時に明らかにする事で、最適な種組成と三次元構造のパターンを特徴づける計画であったが、FISHプローブの対象種を門より詳細な分類レベルにする必然性が明らかになった。
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