Janet Jansson は、1970 年代後半にニュー メキシコ州立大学の学生として、アンダーグラウンド ライフの広大な宇宙について初めて疑問に思い始めました。一握りの土壌には約 100 億個のバクテリアが含まれていますが、当時、地球科学者はこれらの微生物が何であり、何をしているのかについてほとんど知りませんでした。その後、スウェーデンのストックホルム大学の若い微生物生態学者として、彼女は土壌サンプリング旅行中に収集した微生物のカタログを作成し始め、遺伝コードを解読して、内部の働きと地下生息地への適合方法の両方を理解できるようにしました.
しかし、ヤンソンが掘ったように、彼女は問題に遭遇し続けました.その後、DNA のストレッチを増幅して分析するために使用された主な方法は、単一の微生物のすべての働きを明らかにするほど強力ではなく、ましてやそれらのコミュニティ全体を明らかにすることはできませんでした。 「特定の遺伝子に関する情報を得ることができましたが、配列決定技術は非常に遅かったです」と、現在ワシントン州リッチランドにあるパシフィック ノースウェスト国立研究所 (PNNL) の生物科学部門ディレクターである Jansson 氏は述べています。生物学的発見の宝庫ですが、彼女はそれらを発掘するために必要なツールをまだ持っていませんでした.
その後、20 世紀に入って間もなく、新しい高オクタン価の DNA 配列決定法により、数千または数百万の遺伝子をほぼ瞬時に配列決定することが可能になりました。これらの新しい高速な方法により、研究者はメタゲノムとして知られるサンプルの集合ゲノムを初めて簡単に配列決定できるようになりました。突然、停滞した沼地や凍ったツンドラなどの多様な生息地の全体的な構成をスキャンすることが可能になり、それらが保持する微生物の詳細な肖像画を作成しました。これらの広範囲にわたるスキャンから得られた遺伝子とタンパク質の配列は、この種のものとしては初めてのものであり、解読されると、各生態系内で微生物が実際に行っていたことを明らかにするでしょう。このデータは、研究者が微生物が大気中の二酸化炭素をどのように捕捉して貯蔵するか、有機物を分解して植物がその栄養素にアクセスできるようにする方法、および人間の健康を脅かすことが知られている土壌毒素を中和する方法を理解するのに役立ちます。 「すべてをシーケンスすることができます」と Jansson 氏は言います。 「それが、メタゲノムアプローチが本当に有利な点です。」
ヤンソンの現在の環境のほとんどすべてが大きくて大胆です。ワシントン州東部に横たわる 600 エーカーのスズカケノキがちりばめられた PNNL キャンパス、窓から見える果てしなく続く青空、彼女のチームが土壌サンプルを預ける冷蔵庫サイズの遺伝子配列決定機。 .しかし、いつものように、ヤンソンを駆り立てるのは微視的で目に見えないものへの誘惑です。土壌マイクロバイオームの内容をマッピングするという課題です。これは、その機能が完全に理解されたことのない、あふれんばかりの地球規模のコミュニティです。 「土壌」と Jansson はニヤリと笑いながら言った、「究極の複雑なシステムです。」
地下草原
メタゲノミクスが土壌科学者にまったく新しい地下世界を切り開き始めると、ヤンソンは新たな一連の課題に直面していることに気づきました。彼女が作成を支援したこの新たなフィールドの範囲は計り知れません。小さじ 1 杯の土には数万の種が含まれている可能性があり、まだ発見されていない種が世界中におそらく数百万存在します。それらの機能を理解するという驚異的な課題に取り組むために、彼女は 2010 年に、カリフォルニア大学サンディエゴ校のロブ ナイト、イリノイ州アルゴンヌにあるアルゴンヌ国立研究所のジャック ギルバートと共に、アース マイクロバイオーム プロジェクトと呼ばれる共同事業を立ち上げました。世界中の場所から 200,000 の微生物が豊富なサンプルをカタログ化することを目指しています。 (昨年の時点で、それは 30,000 以上のサンプルを分析しました。) しかし、ヤンソンはまた、本当に深く掘り下げるには、目の前にあるめまいがするような一連の研究の可能性を、一生のうちに取り組むことができる一握りに絞り込む必要があることも知っていました.
まず、彼女と彼女のチームは、アメリカの中心地の大部分を支配する大草原の土壌の調査に着手しました。草の根の周りの何千もの土壌微生物は、中西部の大草原が米国本土の他のどの地域よりも多くの炭素を貯蔵するのを助けています.二酸化炭素分子を切断して再結合するタンパク質を生成することにより、これらの微生物は草と協力して大気中の二酸化炭素を捕捉し、それを固体の炭素に富んだ生物物質に変えて地下に貯蔵します.これは人類にとって大きな恩恵です。なぜなら、風景がより多くの二酸化炭素を貯留できるほど、地球温暖化を促進する温室効果ガスとして残される量が少なくなるからです。
しかし、すべての土壌細菌の 90% 以上は実験室で培養することができないため、研究者は、それらが炭素循環にどのように寄与するかについて長い間確信が持てませんでした。 Jansson は、これらのプレーリー微生物のメタゲノム解析は、炭素貯蔵への関与の程度を明らかにし、降雨と人間の土地耕作がその役割を変えるかどうかを明らかにするのに役立つと考えました.
Jansson のチームは、国の中央 3 分の 1 に広がって、どのような新しい微生物を見つけることができるかを調べました。アイオワ州、カンザス州、ウィスコンシン州のフィールド サイトで、コアラーと呼ばれるツールを使用して土壌サンプルを採取しました。コアラーが出現すると、すべての層、そして理想的にはその微生物が無傷の丸太状のサンプルを引き上げます。その後、汚れの塊をドライアイスで保存し、研究室に送り返します。そこで、技術者がサンプルの DNA と RNA の配列を決定します。
このプロセスが完了すると、プロジェクトの科学者は、各サンプルにどの微生物遺伝子が含まれているか、微生物がどのような生物学的役割を果たしているかを把握できます。土壌サンプルに、大気中の二酸化炭素を固体炭素に変換するために使用される酵素を生成する細菌遺伝子が含まれており、これらの遺伝子が活性である場合、研究者はサンプル内の微生物が積極的に炭素を貯蔵していると結論付けることができます.
各サイトで、研究チームは、何年にもわたって耕作されてきた土壌だけでなく、自然のままの草原の土壌もサンプリングしました。シーケンスされたサンプルは、ネイティブのプレーリーの汚れが、農業の土壌とは異なる微生物の混合物を含んでいることが明らかになりました。 「それらの比較を見ると、ほとんど栽培のバイオマーカーのように、強力な微生物の特徴がありました」と Jansson 氏は述べています。彼女は、微生物が在来の土壌と耕作された土壌で炭素を貯蔵する方法に違いがあるのではないかと考えており、彼女は将来の研究でさらに調査する予定のトピックです.
凍ったツンドラ
一方、ヤンソンと彼女のチームは、世界で最も急速に変化する気候の 1 つである北極の土壌も調査していました。 Jansson は、これらの急速な温度変化が地下の微生物群集にどのような影響を与えているか、そしてこれらの変化が驚くべき副作用を持っているかどうかについて長い間興味を持っていました。 「永久凍土には非常に多くの有機炭素が閉じ込められています」と彼女は言いました。 Jansson 氏は研究を開始した当初、温暖化傾向がバクテリアのプロセスを活性化させ、貯蔵された炭素を分解して大気中に放出し、気候変動を加速させているのではないかと考えていました。しかし、彼女は確かにわからなかったので、微生物群集の混合が3つの異なるタイプのアラスカの地形でどのように変化するかを研究することに決めました:凍った永久凍土、季節の変化に応じて凍ったり解けたりする表層土壌、比較的暖かく水浸しの湿地土壌です。
彼女が推測したように、ヤンソンはこれらの場所の微生物群集にかなりの違いがあることを発見しました。全体として、永久凍土サンプルには遺伝子とタンパク質がほとんど含まれていませんでした。しかし、凍結融解中の土壌層では、配列決定により、土壌サンプル内のバクテリアが興味深いタンパク質を生成していることが示されました。これには、植物からのセルロースのような炭素分子の長い鎖を、バクテリアが使用できるより短くて単純な糖化合物に切り取る酵素が含まれます。燃料。これが起こると、以前は「ロックダウン」されていた炭素が大気中に放出されます。 「[土壌]が解けると、さらに腐敗へと移行し始めます」とジャンソンは言いました。言い換えれば、より暖かい土壌では、バクテリアの炭素分解プロセスがシーケンスデータに明確に現れ始めます.そのため、一部の観察者が懸念していたように、気温が上昇すると、以前は不活性だった炭素が土壌から放出される可能性があります。これは、気温が上昇し続けるにつれて暴走する炭素放出の心配な見通しを高めます.
最も驚くべきことは、ヤンソンの研究で最も暖かい土壌サンプルである海綿状の沼地土壌が、二酸化炭素の 20 倍以上の温室効果ガスであるメタンの生成に関与する一連の微生物遺伝子とタンパク質を明らかにしたことです。そのようなタンパク質の 1 つがメチル補酵素 M レダクターゼで、これは二酸化炭素をメタンに変換することに関与しています。この発見は、温暖化の傾向により、局所的な微生物がより大量のメタンを生成するようになることを示唆している可能性があります。次に Jansson は、地球が温暖化するにつれて両方が一般的になる可能性が高いため、急速な解凍がより緩やかな解凍とは異なる方法で土壌微生物個体群に影響を与えるかどうかを調査することを計画しています.
細菌テロワール
Jansson の同僚の研究が明らかにしているように、土壌微生物は単なる炭素処理装置ではありません。足元の広大な微生物群集は、空気の質と地球の気温に影響を与えるだけでなく、私たちが育てる食品の味と品質にも影響を与える可能性があります.デューク大学の Thomas Mitchell-Olds は、植物の根の中および周囲の微生物集団が植物の成熟方法に影響を与えるかどうかを確認したいと考えていました。彼と学生のマギー・ワグナーは、アイダホ州の田舎にある 4 つの異なる収集場所から土壌サンプルを採取し、各サンプルから微生物を分離しました。次に、土壌で満たされたポットにこれら 4 つの微生物サンプルを接種し、マスタード プラントの一般的な系統であるBoechera strictaを植えました。 、それらの中で。チームは、土壌中の特定の種類の微生物が植物の開花時期を早めるように思われることを発見しましたが、プロテオバクテリアのメンバーなどの他の種類も発見しました
この研究は、微生物の活動が植物の健康と生産性にいかに必要であるかを強調しています。 「土壌微生物は、干ばつ耐性、成長率、および植物のパフォーマンスの他の側面とすでに関連していました。私たちの実験により、このリストに開花時期が追加されました」と Mitchell-Olds 氏は述べています。 「収量の改善、気候変動に対する緩衝、またはその両方のためかどうかにかかわらず、土壌微生物が開花時期を微調整する可能性は興味深いものです。」このような見通しは、収穫量を増やしたいと考えている農家だけでなく、たとえば、開花時期がブドウの発育と結果として得られるヴィンテージの味にどれほど劇的に影響するかを知っているカリフォルニアのナパバレーのワイン生産者にとっても興味深いかもしれません.ナパなどの有名なテロワール、 実際、何千もの微生物が目に見えない調和でハミングすることから発生する可能性があります.
他のシーケンス研究は、汚染物質を分解する際に土壌微生物が果たす重要な役割を示しています。インドのデリー大学の科学者が殺虫剤の投棄場所から土壌サンプルを採取し、よりクリーンな管理サイトのサンプルと比較したところ、廃棄場所の土壌には、次のような特定の細菌グループの遺伝子配列が高濃度で含まれていることが報告されました。 シュードモナス 、ノボスフィンゴビウム とスフィンゴモナス 、ヘキサクロロシクロヘキサンのような一般的な農薬を分解することが知られています。微生物は汚染された景観の回復を助けるように適応できるようであり、バイオレメディエーションの取り組みにバグを展開するというエキサイティングな可能性を示しています. 「土壌は、私たちの生態系に対するあらゆる種類の侮辱に対する緩衝材です」と、PNNL でヤンソンと緊密に協力している微生物学者のヴァネッサ ベイリーは述べています。
グレート プレーリー プロジェクトに取り組んでいる研究者は、約 1 兆 8000 億塩基の DNA データを編集することに成功しましたが、土壌には 10 億から 100 億個の個々の細胞が含まれていることを考えると、これらのデータはプレーリー土壌の微生物群集のほんの一部しか説明していないと Jansson は考えています。グラムあたり。 「私たちはまだ発見段階にいます」と彼女は言いました。 「土壌のメタゲノムを組み立てるだけでも、やるべきことはたくさんあります。」彼女と他の科学者は、遺伝子解析プロセスを合理化するためのさまざまな手法を試しています。たとえば、特定のサンプルであまり一般的でない遺伝子配列を破棄して、より一般的な遺伝子配列に注目するなどです。
Jansson と彼女の同僚が、これまで知られていなかった微生物群集について学べば学ぶほど、それらの群集がさまざまな条件 (干ばつ、温暖化、洪水など) にどのように反応するかをより正確に予測できるようになるでしょう。彼らは、これらの予測をコンピューターモデルに組み込み、特定の環境変化がどのような微生物活動を生み出す可能性があるか、およびその活動の期待される結果を示すことを望んでいます.このようなモデルは、環境プランナーが望ましい目的を達成する微生物ミックスを栽培するのに役立つ可能性があります。それは、ギガトンの大気中の炭素を閉じ込めたり、汚染を簡単に脱落させたり、ワイン醸造業者が夢見る種類のブドウを生み出す土壌になる可能性があります。 「最良のシナリオで存在する微生物についての知識を持つことで、微生物の組み合わせを最適化するようにシステムを微調整することができます。」
しかし、適切な微生物バランスを達成することは、土壌に特定の細菌株を接種するほど簡単ではありません. 「繁栄させたい微生物にとって条件がよければ、それらは繁栄します」とヤンソンは言いました。 「種をまいたら、条件が良くなければ、ただ死んでしまいます。」したがって、理想的なアプローチは、多くの場合、有益な微生物が自然に群がる景観を設計することです。温暖化が年々進行している地域では、これは、大量のメタンを吐き出す嫌気性微生物がその地域を住みにくくする、十分な量の酸素が豊富な移動水を確保することを意味するかもしれません.大草原の耕作地では、農家は自然の微生物の多様性を維持する肥料を選択し、豊富な食用作物を生産し、大気からの炭素回収を最大化する可能性があります.
それでも、このような洞察は段階的で苦労して得たものであり、ヤンソンは、将来の科学者が土壌微生物が地球の残りの部分に影響を与えるすべての方法を発見するという原因を取り上げる必要があることを知っています.今のところ、ヤンソンは土壌調査員の役割を楽しんでおり、微生物群集の多様性と幅をマッピングして、他の人がいつかその知識から恩恵を受けることができるようにしています.レオナルド・ダ・ヴィンチはかつて、「私たちは天体の動きについて、足元の土よりも多くのことを知っています」と語っています。 500 年以上経った今、ヤンソンは自分が間違っていることを最終的に証明できる科学者になりたいと考えています。
