微細藻類の秘密: 海洋珪藻と細菌が窒素を固定し、海の健康を守る

Tokyo科学者たちは、海の藻類が成長に必要な窒素をどのように得ているかを解明しました。マックス・プランク研究所、アルフレッド・ウェゲナー研究所、ウィーン大学の研究者たちは、海洋珪藻と呼ばれる藻類が、特定の種類の細菌と協力していることを発見しました。この協力により、多くの海域で豊富な窒素が供給されます。

重要なポイント:

• 海洋性珪藻は窒素固定を行うリゾビア菌と共生しています。
• これらの細菌は、地上のマメ科植物を助ける菌に似ています。
• この共生関係は、地球規模での窒素固定と二酸化炭素の吸収において重要な役割を果たしています。
• この発見は新しい農業技術の開発につながる可能性があります。

窒素はすべての生物にとって重要です。作物や海洋植物の成長を助け、これらの海洋植物は世界の酸素の半分を作り出します。しかし、植物は空気中の窒素を直接利用することができません。大豆やエンドウなどの作物には、Rhizobiaというバクテリアがいて、窒素を植物が利用できる形に変えてくれます。これにより、豆類は食料生産において重要な役割を果たしています。そして、最近になって、科学者たちは海洋植物がどのようにして窒素を得ているのか、ようやく理解を深めつつあります。

2020年に、科学者たちは熱帯北大西洋の海水を採取しました。この地域は海洋窒素固定が盛んなところです。彼らはこれらのサンプルを3年間研究しました。その結果、窒素を固定するニトロゲナーゼ酵素に関連する遺伝子の断片を発見しました。これらの断片は、以前は海洋の主な窒素固定者と考えられていたシアノバクテリアからのものではありませんでした。

断片は、Rhizobiaに類似した細菌に由来することが判明しました。チームはそのゲノムを組み立て、この細菌をCandidatus Tectiglobus diatomicolaと名付けました。この発見は、珪藻と非シアノバクテリア性窒素固定細菌との初めての共生関係であることがわかりました。

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科学者たちは遺伝子プローブを用いてリゾビアをラベル付けし、自然環境で観察しました。彼らは、ダイアトム内部に4つのリゾビアが集まっていることを発見しました。この細菌はダイアトムに固定窒素を供給し、その代わりとして炭素を受け取ります。彼らが生産する窒素は、ダイアトムの成長に必要な量の100倍にもなります。

この新しい関係は海洋では一般的です。特に窒素固定を行うシアノバクテリアがあまり存在しない地域でよく見られます。これらの小さな生物は海洋の生産性を支え、大気中の二酸化炭素を吸収する重要な役割を果たしています。

この発見により、農業の新たな可能性が広がることになりました。海洋性リゾビウムは、シアノバクテリアの初期の窒素固定細胞に見られる特徴と類似しており、これらの新しい共生体と珪藻の宿主が、一つの生物として進化し始めている可能性があります。

科学者たちは、海洋に生息するリゾビアの小さなサイズと細胞に似た特徴が、窒素固定植物の作成に適していると考えています。これにより農業のあり方が変わる可能性があります。研究者たちはこの新しい相互関係を引き続き研究し、海洋内で同様の関係を探求する予定です。

この研究に参加した機関は以下の通りです:

• マックスプランク海洋微生物学研究所（ドイツ、ブレーメン）
• アルフレッド・ウェゲナー研究所－ヘルムホルツ極地海洋研究センター（ドイツ、ブレーマーハーフェン）
• ウィーン大学（オーストリア、ウィーン）