2017 Fiscal Year Annual Research Report
湖沼底層部の低酸素化が誘導するメタロゲニウム粒子生成の分子機構と駆動システム解明
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17H01898
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| Research Institution | Akita Prefectural University |
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Principal Investigator |
宮田 直幸 秋田県立大学, 生物資源科学部, 教授 (20285191)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岡野 邦宏 秋田県立大学, 生物資源科学部, 助教 (30455927)
藤林 恵 秋田県立大学, 生物資源科学部, 助教 (70552397)
鈴木 徹 岐阜大学, 応用生物科学部, 教授 (20235972)
古田 世子 滋賀県琵琶湖環境科学研究センター, 環境監視部門, 専門員 (00508476)
池谷 仁里 兵庫県立大学, 生命理学研究科, 客員研究員(研究員) (30531579)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 湖沼底層部 / マンガン循環 / マンガン酸化細菌 / 細胞外多糖 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
琵琶湖の最深部付近（北湖）では、低酸素化が顕著に現れた2002年以降、マンガン酸化物微粒子（メタロゲニウム粒子）が毎年発生している。本研究では、琵琶湖北湖上層部で増殖した植物プランクトンが底層部のメタロゲニウム粒子生成を駆動しているとの仮説を立て、その検証を目指している。
マンガン酸化細菌によるメタロゲニウム粒子生成の分子機構解析では、モデル細菌BIWAKO-01株のゲノム情報を基にマンガン酸化酵素としてマルチ銅オキシダーゼ及びぺルオキシダーゼを有すると推察した。BIWAKO-01株におけるメタロゲニウム粒子生成の誘導条件を確立できたので、今後はこの条件下で遺伝子発現を解析する。またメタロゲニウム粒子のフィラメント構造を形作る酸性多糖の由来を明らかにするため、炭素安定同位体（13C）で標識したアミノ酸を添加した培地で粒子を産生させて回収し、同位体比質量分析計による解析を進めている。フィラメント部及び細胞部の13C/12C比が求められ、分析条件を確立することができた。
2017年4月以降の調査により、北湖表層では全糖が0.4～1.6 mg/Lの濃度で検出された。全糖濃度はクロロフィルa濃度と正の相関を示し、植物プランクトンが全糖の供給源であることが示唆された。底層部の全糖濃度は季節によって大きく異なるが、表層濃度の22～60％に相当し、表層で生産された糖質が湖底に沈降していると推察された。2017年6月～７月に表層では緑藻Staurastrum dorsidentiferum が多く観察され（約300 cell/mL）、その3ヶ月後に底層部ではメタロゲニウム粒子が18,000個/mLレベルで観察された。マンガン酸化細菌BIWAKO-01株によるメタロゲニウム粒子生成には多糖が必須であるため、底層部に沈降した植物プランクトン由来多糖が粒子形成に関与している可能性が示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
I. 細菌による粒子生成の分子機構
BIWAKO-01株培養系では、メタロゲニウム粒子形成に関与する遺伝子が特異的に発現していると予想されるため、培養系からRNAを抽出し、mRNAの逆転写産物（cDNA）を次世代シーケンサーでトランスクリプトーム解析することとしている。まだ本手法は確立していないが、適切な培養条件を明らかするとともに、マンガン酸化酵素遺伝子等の遺伝情報基盤を整備しているので、今後無理なく遂行できると予想している。
メタロゲニウム粒子のフィラメント構造が外因性か（＝添加した多糖が構造体に取り込まれる）、内因性か（＝細菌が自ら作り出した多糖が取り込まれる）明らかにすることが重要な課題である。予備検討を既に終了し試験条件（培養法、分析法）を確立できているので、当初の目標を十分に達成できると予想している。
II. 底層部における粒子生成の駆動システム
北湖にて毎月、植物プランクトン、メタロゲニウム粒子、多糖の鉛直分布をモニタリングしており、当初想定していたデータが順調に集積できている。植物プランクトンが生成する細胞外多糖の構成糖をレクチン染色法及び加水分解-GC/MS法で分析している。湖水試料から回収した多糖成分の他、出現した植物プランクトン種の細胞外多糖についても分析を行い、順調にデータを集積できている。当初目標は十分に達成可能である。
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| Strategy for Future Research Activity |
I. 細菌による粒子生成の分子機構
BIWAKO-01株培養系について、次世代シーケンサーで網羅的にトランスクリプトーム解析する。これにより遺伝子発現を解析する。予備検討の結果を踏まえて研究を進め、メタロゲニウム粒子のフィラメント構造形成過程を解析する。
II. 底層部における粒子生成の駆動システム
これまでの調査項目に加えて、粒子態多糖濃度およびBIWAKO-01株近縁種の鉛直分布を調査する。BIWAKO-01株近縁種を特異的に検出定量できる定量PCR法を確立する。これまでの調査を継続し、構成糖の季節変動や鉛直分布に関するデータ収集に努める。
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