第5章-3. 土の科学／技術｜科学／技術の総合化 ―小泉　健

ここでは、和の経済第17 回科学と技術(2006.1)に掲載された酪農学園大学客員教授三野耕治氏の論調、筆者自身の研究成果を主体に整理しています。

■土～根と微生物～

近代農業は肥料、農薬等化学資材を大量に投与することにより生産性を飛躍的に向上させてきましたが、一方で環境負荷の増大、連作障害などの影を落としてきています。

微生物農法の先覚者である島本覚也氏は、麹作りの技術を農業に応用して、有機物を分解し植物に有効な成分を生成して活用する方法を創案しました。微生物農法などの民間農法は近代農法では改善されない連作障害などを、効果の多寡は別として、克服しようとする農家の意欲の顕れです。食の安全・安心のニーズに応えて、減農薬・減化学肥料を中心とした農法に転換するには、土壌や土壌微生物と根との関係を安定した技術体系として確立する必要があります。

■土と微生物

微生物は土壌中の有機物を分解することにより、植物の生育に大きな役割を果たしている一方、その分解過程で無機化される栄養素を摂取して、菌体の維持や増殖を行ってます。有機物の分解過程で菌体成分として使用されなかった余分の養分は、土壌中に放出されて植物に利用されたり、土壌に吸着保持されたり、溶脱されたりします。難分解性の植物残渣はさらにゆっくりと分解されながら腐食物質へと変化していきます。このような永年にわたる土壌中での物質変化の過程を通じて土壌中に集積された有機物は、土壌の潜在的作物生産力、つまり地力のひとつの指標となっています¹。

農業の生産性向上と効率化とともに、野菜や畑作物は連作によって輪作体系が崩れ、土壌病害菌による連作障害や病害虫による被害が発生しています。このため、農薬の施用や土壌消毒などが行われていますが、改善の効果が見られない場合が多くあります。

一方、近年の消費者が安全・安心を指向するために農薬を抑制する必要が生じており、土壌改良のために微生物を使った資材が多く販売されていますが、その効果は必ずしも確かではありません。結果に結びつかないことの理由は、そもそも土壌にはその環境に適応して生息している微生物が既に存在しているため、有用な微生物を人為的に少量添加しても、増殖するまでに死滅してしまうと考えられるからです。有用微生物がもつ機能を発現させる手法が確立していないのです。

そもそも土壌の物理的・化学的性質が複雑でその挙動の記述が困難であること、また、土壌1グラム中に0.1 ～ 10 億個といわれる微生物を土壌から分離し、その微生物の形態や生理的性質を逐一調べていく作業には大変な労力と時間がかかること、更に根の生理を自然条件下で記述することが困難で地上部の生理に比べて研究が立ちおくれていることなどから、土壌は「ブラックボックス」と言われてきました。とりわけ、微生物は培養困難かまたは培養不能なものが99 ％であり、微生物の研究が遅れていた理由は、単離・培養できない微生物を無視せざるをえなかった点にあります。

しかしながら、最近、培養できない微生物についても、培養を介さないで土壌摂取した微生物から直接抽出した核酸（eDNA）をもとに生物相を解析し、遺伝子情報を取得することが可能になっており、研究は新しい段階を迎えています。例えば、ヒトゲノムの旗頭ベンターが率いるチームは、サルガッソー海の多種多様な微生物をまとめてショットガンクローニングし、全塩基配列を決定し、そこに存在する全ての微生物種をゲノムレベルで網羅的に明らかにしています（サイエンス誌2004 年4 月号）²。

■eDNA研究の意義

eDNA とは、土壌試料から培養過程を経ずに得られる微生物由来のDNA のことです。

高品質な作物生産を行う上で、安定した地力の確保、連作障害等の病害の克服が重要です。それを実現するためには、土壌の物理性、化学性、生物性を適切に把握する必要があります。物理性、化学性については、これまで多くの知見が得られており、土壌診断の項目にも取り入れられていますが、生物性の評価法は確立されていません。土壌病害の発生や有機質肥料からの養分供給には、土壌微生物が重要な役割を果たしているため、物理性と化学性の評価だけでは不十分で、生物性を評価するための手法の開発が望まれています。

このため、ブレイクスルーとしてeDNA（土壌から培養過程を経ず得たDNA）の解析手法を取り入れ、微生物多様性を調査する手法等を開発し、土壌生物相の機能と構造を eDNA に基づき解析するとともに、作物生産性と土壌微生物相との関連性を解析することが重要になっています。

これらのeDNA に基づいて開発される技術・知見を用いることにより、土壌の物理性、化学性に生物性をも加味した総合的な土壌診断法、診断結果に基づく土壌微生物相の改良による病害低減技術及び適正な施肥管理技術の開発等、環境と調和した生産性・品質の向上に結びつく技術開発に資することが可能となります。

■肥料に頼らない農業を可能にする－根圏制御研究－

作物の根の近傍の土壌環境である根圏³は植物根－微生物－土壌の複雑系ですが、要素還元的手法で「線形的な世界」の解明を目指してきた近代科学が最も不得意とする研究分野です。大崎満教授（北大）はカリマンタン（ボルネオ島インドネシア領）の泥炭地を調査する過程で、作物が育ちにくいph³の酸性土壌でイネが生育する現場をみたことが契機となって根圏を対象とする研究を始めました。

インドネシアなどの熱帯泥炭地では、農業利用により泥炭層が消失すると下層から極めて貧栄養な栄養分が溶脱した硫酸酸性土が出現し、農耕はもちろん、植生の回復すら困難になってその多くは放棄されている現状にあります。このような酸性土壌で植物の育成を困難にしている大きな要因は土壌ph の低下により可溶化するAlの過剰障害です。ところが、大崎教授はこの植物に影響するAlの毒性にもかかわらず良く生育しているイネがあることを見出して、そのメカニズムの解明が新しい農業技術につながると考えました⁵。調べてみると、植物はその根と着生微生物からさまざまな物質を放出して根圏の環境を最適化することにより、劣悪な土壌条件下でも生育する仕組みをもっていることが分かってきました。その各種物質の特徴は以下のようなものです。

①根から分泌された有機酸にはAl とキレート（注）を形成する能力をもつものがあり、有機酸とキレートしたAl は毒性が低下し、吸収されにくくなる。

② 根から分泌された有機酸は土壌中に含まれる難溶性無機リン酸化合物（FePO4,AIPO4,Ca3PO4）を溶解し、植物が吸収することのできる可溶性無機リン酸を生成する。

③根から分泌されたタンパク質（酸性フォスターゼ、フィターゼ）は、土壌中に含まれる有機態リン（フィチン酸、核酸）を分解し、植物が吸収することができる可溶性リン酸を生成する。

④根の表面に存在する微生物にはph 調整能を有するアンモニア放出細菌、窒素固定細菌、養分の吸収促進する菌根菌などがあるが、植物根はゲル状の多糖類（ムシゲル等）を分泌して微生物の共生場をつくり病原菌を抑制し、フラボノイド類の微生物活性物質を分泌して有用微生物の活性化する。

※注…キレ－トとは、原子の立体構造によって生じた隙間に金属を挟む姿から、ギリシャ語の「蟹の爪」に由来する化学用語。複数の配位座を持つ配位子が配位していることをいい、このようにしてできている錯体をキレート錯体と呼ぶ。キレート錯体は配位子が複数の配位座を持っているために、配位している物質から分離しにくい。これをキレート効果という。

これまでの農業技術では根圏だけを改良することができなかったために、土壌そのものを改良しなければならず、大量の肥料や土壌改良材を使用していますが、この根圏の環境を整えて制御する技術を開発できれば、肥料などに頼らない持続的な農業が可能となります。すなわち、根圏制御によって「足し算の農業」から「足さない農業」に転換できるのです。

また、根圏制御研究は、植物の生産性向上や持続的農業技術に貢献するだけでなく、有機酸が金属イオンを無毒化し、Al の害を軽減できるので環境浄化に活用できます。

根から分泌されるリグニン分解酵素は分解能が通常の20 倍の能力があり、残留農薬、 PCB 、ダイオキシンの分解に寄与できます。さらに、近年、野菜などで肥料過多による硝酸態窒素の問題が生じていますが、植物と共生している脱窒素細菌を強化することにより土中の過剰な亜硝酸態窒素、硝酸態窒素を窒素ガスに還元して分解することが可能になります。

北大農学部の裏手にマイナスP と書かれた標識が立つ圃場があります。植物の3大栄養素の1つであるリン（P）が90 年間投与されていない区画です。

土壌のリン化合物の大部分は植物が直接吸収できない。大崎教授たちはこの区画から植物が吸収できるようにリン化合物を分解する微生物を発見しました。リンは80 万ｔにも及ぶ原料であるリン鉱石の輸入に全量依存していますが、土壌中のリンを吸収することが可能になれば、輸入に頼らない農業へ転換できます。

また、大崎教授は熱帯のゴム樹の生えている地域でゴム液が無くなる場所を調査して、ゴムを食べる微生物を採取しました。この微生物はポリプロピレンやポリスチレン、ウレタンなどを分解する能力をもっており、さまざまな土壌微生物の利用により環境改善が可能となります。

近年、バイオインフォマティクス（生命科学への計算機科学の応用）が進展していることから、有用微生物（窒素固定細菌、アンモニア放出細菌、菌根菌など）の同定評価を可能とするDNA チップの開発によって、微生物を単離・培養するプロセスを要せずに効率的な微生物診断が可能となります。

また、微生物群を対象にしたゲノム解析（メタゲノム解析）によって、新規の有用な酵素や生理活性物質の発見が期待されており、いままで「ブラックボックス」といわれた土壌が「宝の山」になろうとしています。

■植物と微生物とのコミュニケーション

根圏環境では、植物と細菌など微生物との関係が大きな役割を果たしています。その中でも人間にとって重要なものは、タンパク質など生体物質に不可欠な窒素を固定する窒素固定細菌です。

地球上の土壌と水中に含まれる窒素のうち、60 ％以上が窒素固定細菌の働きとみられており、固定した窒素がもっとも迅速かつ有効に植物に移行するのが、植物－細菌の共生システムです⁴。この共生システムは植物と細菌の間でシグナルを相互に交換することによって行われていることが最近明らかになりつつあります。

近年の分子的手法の進展によって生物の相互作用に関わる遺伝子が数多く見つかり、その生理的機構が解明されつつあります。例えば、マメ科植物はフラボノイド類のシグナル物質を出し、根粒菌はそのシグナル物質を認識して遺伝子の転写が始まり、根粒因子と名付けられる物質を作ります。これが根粒をつくってほしいというシグナルを植物に伝えます。このシグナル物質の交換を通じて探している相手かどうかを識別していることが分かってきました⁵。

根粒菌とマメ科植物のゲノム解析が進展したことにより、塩基配列情報をもとに共生過程で発現が変化する遺伝子の同定などが進められています。生物間相互作用が個々の生物に与える影響と共進化（2種以上が互いに影響し合う進化）の過程が解き明かされようとしているのです。

■植物と微生物の共生に学ぶ

このように植物と微生物が共進化の関係にあることが分かりつつありますが、動物と植物との間にも共進化の関係が認められています。

早くから知られている例は、被子植物と草食昆虫の関係です。被子植物は紫外線を吸収するフラボノイドを作出することにより、大切な胞子を紫外線障害から防いでいます。また、このフラボノイドは抗菌性や対虫性をもっているので、草食昆虫にも対抗できます。ところが、昆虫は近紫外線を捕捉できるため、フラボノイドが吸収した紫外線を感知して植物の在処を知ってしまいます。ある程度を草食昆虫に胞子を食べられても、生き残った胞子を昆虫に運搬してもらえます。このような関係はとりわけ、蜜を吸い花粉を媒介する訪花昆虫と虫媒花の関係が有名です⁶。

牧草と牛とに同様な関係があることを藤本文弘教授（岐阜大学）は見出しました。牧草が長い間、刈り取らないと勢いをなくし、刈り取ると若々しいみどりの葉を再生して伸びることに気がつきました。食べられた牧草は早く再生して光合成を盛んに行います。多年生牧草は再生でき、食べ残された場合には種子をつけます。草食動物に食べられる環境下で進化してきた牧草は強い再生をもっています⁷。

藤本教授は、根粒菌とマメ科植物との共生メカニズムや牧草と草食動物の共進化の事例は、地球上での生存が排他的な競争ではなく、より豊かな生を求めての「競い合い、認め合い」であると指摘しています。すなわち、生物間相互作用が進化の源です。藤本教授が指摘するように、育種によって植物は潜在的な能力を発現し、栽培することによって植物はヒトの管理下で外敵から身を守られて成長します。地球上でヒトと植物は相互に作用し、共進化の過程を歩んでいるのです。循環型社会の方向として「ヒトと植物の共生」という農業のあり方は「ヒトと植物の共進化」という長い歴史からみてむしろ当然のあり方と考えられます。

現在では定説に近いとされている考え方に生物細胞の起源を説明する「細胞内共生説」があります。細胞内の小器官ミトコンドリアや葉緑体の起源は好気性細菌、藍藻に近い物が細胞中に取り込まれて、一つの細胞になったと考えられています。宿主の細胞に有機物やエネルギーを供給する代わりに、細胞内で保護をうけ、維持に必要な成分をもらっているのです。最初は単細胞生物であしたが、やがて多細胞生物へ、そしてより複雑で高度な生物である動物や植物へと進化しました。このように「共生」は普遍的なものであり、私たち人間を始め、今日ふつうに見かける動物植物は、そのような進化の過程を経ていると考えられています。

2004年4月から、北大の創成科学研究機構では根圏制御研究に腸内微生物研究チームを加えた「食の安全・安定供給」プロジェクトがスタートしていますが、農業だけでなく、医薬品や健康食品という「ヒトと生物の共生が」が研究対象の時代となってきたのです。

小泉　健　H22.1.25

*1　丸本卓也「土壌微生物バイオマス窒素の動態に関する研究」日本土壌肥料学会誌、第68 巻（1997 年）第3 号、229 頁。

*2　斉藤雅典「網羅的に調べるということ」農環研ニュース、2004.7、No63、2 頁。

*3　根圏（Rhizosphere）とは、植物根面より数100 μｍの範囲で、植物根－微生物－土壌が活発に相互作用している領域をいう。

*4　藤本文弘「生物多様性と農業」農文協、1999 年、165 頁。

*5　前掲書、176 頁。

*6　平野千里「原点からの農薬論－生き物たちの視点から」農文協、1998 年、51 ～ 53 頁。

*7　前掲書、183 頁。

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