科学者が気候変動の影響を予測しているが、一つ、その中で見過ごされているのは、地球が温暖化した時、土壌中の炭素がどうなるのか、またこの炭素の動きを決めている土壌中の微生物はどうなるのかという問題である。オクラホマ州の草地の研究をした科学者チームが、土壌のすぐ上の気温が摂氏2度上昇しただけでも地中の微生物の生態系が大幅に変化することを突き止めた。
研究では、気温上昇がない対照群植物と比較すると、温暖化区画の植物は生長も速く、また丈も高くなり、その結果、植物の老化につれてより多くの炭素を有機炭素の形で土壌中に封じ込めることが明らかになった。
しかし、もう一方で温度変化に対応してDNAを変異させた微生物生態系は、増えた有機炭素を処理する能力も高まっていた。Georgia Institute of TechnologyでEnvironmental EngineeringのCarlton S. Wilder Chairを務める准教授、Dr. Kostas Konstantinidisは、「この研究の結果、気候温暖化は土壌生態系に影響を及ぼすことが明らかになった。微生物は環境変化を利用するために遺伝子を変異させたようだ」と述べている。この研究論文は、2013年12月27日付Applied and Environmental Microbiologyオンライン版に掲載された。この研究はDepartment of Energyの出資で行われ、University of Oklahomaなどいくつかの大学が共同研究に参加した。この発見は、自然界でもっとも複雑な生態系である土壌の気候変動に対する対応についてより良く理解することを目的として10年にわたり続けられてきた研究の成果である。
1グラムの土には少なくとも4,000種、10億個の細菌が棲んでいる。それに比べれば、人間の消化器官に棲んでいる細菌の種は10分の1以下である。Dr. Konstantinidisは、「土壌中の微生物が何をしているのか、どのようにしているのか、さらには環境の変化への対応についてなど、科学者にもほとんど分かっていない」と述べている。そのため、気候モデルの予測能力はかなり限られており、「気候変動モデルでは、土壌中の炭素分がどうなるかということはまったくの未知数だ。気候変動モデルで変数の幅が非常に大きいのも、土壌中の炭素分をコントロールする微生物の活動についてほとんど分かっていないことが原因だ」と述べている。さらに難しいのは、土壌細菌の99.9%は実験室環境で培養できないということで、そのため、科学者は細菌が棲んでいる土壌環境で研究しなければならない。その土壌環境での分子・遺伝学的テクニックを用いた研究はKonstantinidis研究室の専門分野である。研究チームはオクラホマ州マクレイン郡のKessler Farm Field Laboratoryに出かけ、20年以上前から休耕し、草地化している元農地の土壌研究を行った。まず、研究チームは、実験区画の2,3フィート上に放熱器を据え付け、10年の研究期間中土壌を熱し続けた。気候モデルの多くが今後50年間の地球の気温上昇を摂氏2度と予測しており、この研究でもそれにあわせて実験区画を常に周囲より摂氏2度高く保っている。その上で、研究チームは植物のサンプルの炭素含有量や土壌中の微生物個体数を測定した他、実験区画群と対照区画群の変化を記録し、さらに土壌からDNAを採取し、微生物の遺伝子的構成や変化を調べた。
温めた区画の植物は成長が速く、また丈も高くなった。季節の終わりに近づき、植物が老化し始めると、対照群より大きなバイオマスはそれだけ多くの炭素を土壌に封じ込めることになるが、一方で微生物群落の呼吸率も高まり、土壌中の有機炭素を二酸化炭素に変える量も増えた。その結果、実験区画と対照区画との炭素総量はほぼ同じ水準になった。また、温められた土壌の微生物群落は研究期間の10年間に呼吸率の上昇に対応してかなり変化しており、たとえば、温められた区画の微生物群落の微生物のDNAは、対照区画の同じ微生物群落に比べ、炭素呼吸率に対応する遺伝子が増えていた。Dr. Konstantinidisは、「気候温暖化で植物の成長によって土壌中に封じ込められる炭素が増えても、ほぼ全量が土壌微生物の呼吸率上昇で再び二酸化炭素に戻されるのではないかという説があったが、実験結果がそれを裏付けている。温められた土壌中の微生物は植物由来の有機炭素を取り込み、二酸化炭素を排出する効率が高まっている」と述べている。
研究チームは、今度は他の農地土壌や、有機炭素分が多いアラスカの永久凍土の土壌などで同様の研究を計画している。Dr. Konstantinidisは、「植物と微生物の間には複雑な相互作用があり、土壌中の炭素循環を正確に予測するためにはその相互作用をもっと理解しなければならない。この研究はその手始めになるものだが、まだまだ完全に分かったとはいえない」と述べている。写真キャプション: 大腸菌細胞を調べるGeorgia Tech准教授のDr. Kostas Konstantinidis (左) と研究当時大学院生で筆頭著者のDr. Chengwei Luo (右)。(写真提供: Gary Meek).
■原著へのリンクは英語版をご覧ください: Soil Microbes Alter DNA in Response to Warming
