海草は共生しているバクテリアのおかげでCO2を自然に吸収できる

海草は共生しているバクテリアのおかげでCO2を自然に吸収できる 生物学
地中海の藻場でサンプルを採取するマックスプランク海洋微生物学研究所の研究者。測定器で海底の酸素濃度を測定します。© Hydra Marine Sciences GmbH

多くの陸上植物と同様、海草1水草の一種で、海域に生育する種子植物。海藻ではない。も窒素固定菌と共生しています。

海草は、浅い沿岸域に広く分布し、重要な生息地となっています。

また、大気中の二酸化炭素(CO2)を大量に除去し、生態系に蓄積しています。

しかし、海草が成長するためには、栄養分、特に窒素が必要です。

これまで研究者たちは、海草は主に周囲の海水や堆積物から窒素を取り込んでいると考えていました。

しかし、海草が最も繁茂している地域の多くでは、窒素がほとんど見当たらないのです。

今回、マックス・プランク海洋微生物学研究所(ブレーメン)の研究者らは、地中海の海草は、根に生息するバクテリアと共生し、成長に必要な窒素を供給していることを明らかにしました。

このような共生関係は、これまで陸上の植物でしか知られていませんでした。

本研究は、英国の科学誌「Nature」に掲載されました。

海草類は、温帯・熱帯の海の浅い沿岸域に広く分布し、その面積は60万平方キロメートル(フランスの面積に相当)にも及びます。

海草は、カメ、タツノオトシゴ、マナティーなどの絶滅危惧種を含む多くの生物の生息地であり、経済的に重要な多くの魚種の保育地でもあり、生態系全体の基盤を形成しています。

さらに、海草は高潮による浸食から海岸線を守り、毎年何百万トンもの二酸化炭素を封じ込め、いわゆる「ブルーカーボン」として生態系の中に長期間にわたって蓄えられています。

養分が不足していても豊かな生活

多くの海草の生息地は、1年のほとんどの期間、窒素などの栄養分が不足しています。

窒素は海の中では元素(N2)として豊富に存在していますが、海草は窒素を利用することができません。

では、どうやって生きているのか?

それは、今回発見されたミクロのパートナーのおかげです。

植物の根に共生するバクテリアが、N2ガスを植物が利用できる形に変換してくれるのです。

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)、ハイドラ・マリン・サイエンス(ドイツ・ブール)、スイス水資源研究所(Eawag)のWiebke Mohr氏らは、海草とバクテリアの密接な関係がどのように機能しているかを説明しています。

根の中のハーモニー

根の中のハーモニー

今回の研究のほとんどのサンプルが採取されたフェトヴァイア湾の一部。© Wiebke Mohr /Max Planck Institute for Marine Microbiology

「これまで、海草の固定窒素は、海底の根の周りに生息するバクテリアから供給されると考えられていました。しかし、今回、その関係がより密接であることがわかりました。バクテリアは海草の根の中に生息しているのです。このような親密な共生関係が海草で示されたのは初めてのことです。これまでは、陸上の植物、特にマメ科植物や小麦、サトウキビなどの農業に重要な種からしか知られていませんでした。」

これらの植物にもバクテリアが共生しており、固定窒素と引き換えに炭水化物などの栄養素を供給しています。

海草とその共生生物の間でも、よく似た代謝産物の交換が行われています。

海草の根に生息するバクテリアは、新しい発見です。

Mohr氏らは、宿主である海草のネプチューングラス(Posidonia)にちなんで、「Celerinatantimonas neptuna」と命名しました。

C. neptunaの近縁種は、これまでにも海藻類に関連して発見されています。

「約1億年前に海草が陸から海へと移動した際、海草からバクテリアを取り入れたのではないか。」とMohr氏は推測します。

「陸上で大成功したシステムを実質的にコピーし、栄養の少ない海水で生き延びるために、海洋共生生物を獲得したのです。」

今回の研究では、地中海に生息するPosidonia属の海草を対象としました。

しかし、このような共生は他の場所でも起こる可能性があります。

「遺伝子解析によると、熱帯の海草や塩湿地でも同じような共生が行われているようです。このようにして、これらの顕花植物は、水中でも陸上でも、栄養不足と思われるさまざまな生息地を植民地化することができるのです。」とMohr氏は言います。

季節に合わせて

季節が変わると、沿岸の水に含まれる栄養分の量も変わります。

冬から春にかけては、水や堆積物に含まれる栄養分が海草にとって十分な量であるように見えます。

「この時期には、植物の根に共生体が散在しているのが見られますが、おそらくあまり活発ではないでしょう。」とMohr氏は言います。

夏になって日差しが強くなり、藻類がどんどん繁殖してわずかな栄養分を消費すると、あっという間に窒素が不足してしまいます。

そこで、共生生物が活躍します。

共生生物は、海草が必要とする窒素を直接供給するのです。

このようにして、海草は栄養が不足する夏に最大の成長を遂げるのです。

さまざまな方法で明確なイメージを

さまざまな方法で明確なイメージを

顕微鏡で見た共生の様子。左は海草の根の断面図、右は海草の根の中にいるバクテリア(ピンク色)の蛍光写真。© Daniela Tienken/Soeren Ahmerkamp /Max Planck Institute for Marine Microbiology

今回の研究では、海草の生産性から、海草の根に住み、最終的にシステムを活性化させる共生生物まで、生態系全体を把握することができました。

そのために、研究者たちはさまざまな異なる方法を用いて、共生関係を可能な限り完全に理解しようとしました。

地中海の水域で行われた酸素測定では、海草草原の生産性が明らかになりました。

また、顕微鏡を使って個々のバクテリア種をカラーラベル化する技術(FISH)により、海草の根の細胞の中や間にいるバクテリアを可視化することができました。

最先端の質量分析計であるNanoSIMSでは、個々のバクテリアの活性を示しました。

ゲノムおよびトランスクリプトーム解析により、どの遺伝子がおそらく相互作用に特に重要で、これらの経路が多用されていることが明らかになりました。

その結果、研究者たちは、この驚くべき共同作業について、健全かつ詳細に説明することに成功しました。

「次のステップは、この新しいバクテリアをさらに詳しく研究することです。共生がどのように機能し、どのように発展したのかをさらに調べるために、実験室で分離したいと考えています。また、他の地域や生息地で同じようなシステムを探すことも楽しみのひとつです。」とMohr氏は言います。

Published by Max Planck Society. Wiebke Mohr, Terrestrial-type nitrogen-fixing symbiosis between seagrass and a marine bacterium, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-04063-4.