農業では、窒素 (N) は植物の成長を改善するための最も重要な栄養素の 1 つであり、肥料の形で適用されます。植物はアンモニウム (NH4) の形で窒素を取り込むことができます。 ) と硝酸塩 (NO3 ）。ただし、アンモニウムの誘導体であるアンモニア (NH3 )、特殊な土壌微生物によっても使用されています。これにより、植物は継続的な食糧戦争に陥ります これらの微生物と一緒に、その成長と収量を減らします.
餌を与えると、これらの微生物は硝酸塩を放出します 土に戻します。アンモニウムに比べて、硝酸塩は土壌から地下水に容易に浸出します。これにより、潜在的な健康リスクが発生します 飲料水の質を下げることで人間のために レクリエーション用の水 .さらに、亜酸化窒素 (N2 O)、地球温暖化を伴う温室効果ガス CO2 の 300 倍の可能性 .これらの損失は、植物の利用可能な窒素を最大 50% 減少させる可能性があり、非常に非効率的です。これらの損失を補うために施用される過剰な量の肥料は、さらに生物多様性の損失につながります .
これらの微生物が利用可能な窒素を使用するのを妨げる化合物、いわゆる硝化阻害剤 、20世紀に開発されたもので、通常、畑に施用すると化学肥料に縛られます.ただし、このプロセスに影響を与える微生物プレーヤーに関する知識は、新しい多様な微生物の発見など、急速に進化しています。代替的でより最適な窒素管理戦略の探索を可能にするために、これらの微生物が窒素を処理するために使用するさまざまな生化学的経路に関する知識の精巧な概要、ならびに農業におけるそれらの相対的な重要性および硝化の可能な作用機序阻害剤、Current Opinion in Biotechnology に掲載されました (Beeckman et al. 2018).
微生物の 3 つの主なグループは、利用可能な窒素を求めて植物と競合します:アンモニア酸化細菌 (AOB)、アンモニア酸化古細菌 (AOA)、およびコモモックス細菌です。それらはすべて、アンモニアの酸化、つまりアンモニアから亜硝酸塩 (NO
AOB については、アンモニアが最初にヒドロキシルアミン (NH
AMO 酵素は 3 つのビルディング ブロックまたはサブユニット (amoA、amoB、および amoC) で構成されており、amoB サブユニットはアンモニアに結合し、したがって硝化阻害剤の主な標的であると考えられています。このサブユニットは AOA では保存されていないため、阻害剤の異なる作用機序が提案されています。ここでは、4 番目のサブユニット (amoX)、または amoC がアンモニア酸化活性に関与している可能性がありますが、より適切な説明を行うには、より多くの生化学的分析が必要です。
Comammox 細菌は、AOB から水平遺伝子伝達を介して AMO および HAO 酵素をコードする遺伝子を取得します。水平遺伝子導入 (HGT) は、生殖を伴わない単細胞生物間の遺伝子の導入です。たとえば、抗生物質耐性菌の拡散を引き起こすのと同じメカニズムです。 AOBからコマモックス細菌へのこのHGTを通じて、コマモックス細菌は硝化阻害剤に対して同様の感受性を持っている可能性があります。それでも、遺伝子コードの観察とアンモニアの処理方法に基づいて、違いが予想されます。 AOB、AOA、comammox 細菌のすべての違いは、これらの微生物が異なる環境条件に適応していることを示しています。
彼らが環境に適応する方法は、彼らの存在と活動に影響を与えます.たとえば、AOA は通常、農地の土壌に AOB よりも豊富に存在し、アンモニアに対する親和性も高くなります。これは、特に窒素濃度が低い場合に、AOB よりも優れていることを意味します。 AOB はアンモニアで飽和する速度が遅いため、通常、窒素濃度が高いほど存在量が増加します。これは、窒素が豊富な土壌で AOB がより重要な役割を果たしていることを示している可能性がありますが、AOA は依然としてアンモニアを最大限に消費しているため、植物の根と競合していることに注意する必要があります。
土壌プロファイルを見ると、AOB とコマモックス バクテリアの相対的な重要性はおそらく逆の関係に従います。AOB は最上層に多く、コマモックス バクテリアは土壌の奥深くに存在します。一方、AOA は通常、中間の土壌層でより重要になります。 AOA とコマモックス菌の重要性は、土壌窒素濃度が低下するにつれて、気温の上昇と生育期の終わりに向かってさらに増加する可能性があります.
これらの発見は、これらの特殊な微生物による窒素の使用をブロックするさまざまな種類の阻害剤に対する感受性の変動は、窒素を処理する方法や、窒素を感知する方法と場所の違いから生じる可能性があることを示しています。これと、新たに発見された微生物の重要な役割の可能性は、現在利用可能な阻害剤の効率が最適ではないことを示唆しています。したがって、著者らは、すべての微生物グループを標的とするより一般的な阻害剤 (または阻害剤の混合物) の効果がより長く持続し、耐性を発症する可能性を低下させる可能性があると主張しています.
そこにたどり着くには、すべてのプレーヤーの相対的な重要性をより詳細にマッピングするための研究や、窒素がこれらの微生物によって生化学的および酵素的にどのように処理されるかを解明しようとする研究に投資する必要があります。そのため、土壌中の微生物活動を制御することは、作物の生産性を高め、農業が環境に与える影響を軽減するための 21 世紀の最もエキサイティングな目標になる可能性があります。微生物 — 世界を養い、自然を守るのに最適なターゲットです。
これらの調査結果は、ジャーナル Current Opinion in Biotechnology に最近掲載された「農業用土壌の硝化：影響、関係者、軽減」というタイトルの記事で説明されています。 .この研究は、ゲント大学および植物システム生物学のための VIB センターの Fabian Beeckman、 Hans Motte、および Tom Beeckman によって実施されました。
