研究内容

植物が生育する土壌は、地球上で最も微生物が豊富な環境であり、菌根菌などの植物と共生する土壌中の微生物が植物の成長を助けています。そのため植物-微生物の共生関係の理解が進めば、地球規模での持続可能な食料供給や環境負荷軽減への貢献が期待できます。本チームは、植物-微生物共生研究に資する根圏微生物のリソース開発、植物-微生物共生の実験系の確立、農業現場で活用できる情報システム開発を行います。内外の研究コミュニティと連携することにより、共生現象の実態解明と産業利用につながる世界トップクラスの成果をめざします。

アーバスキュラー菌根菌の新規バイオリソース開発
植物-微生物共生で最も一般的な共生形態の一つであるアーバスキュラー菌根(AM)の研究に近年注目が集まっております。様々な培養条件を検討した結果、毛状根との共培養におけるリン酸濃度が菌根形成率に重要な因子であることがわかり、極低濃度のリン酸を用いた培養により従来法に比べて2-8倍の胞子形成率の向上に成功しました。本研究テーマでは、本技術を利用して幅広いAM菌種を単離培養することにより、植物-微生物共生研究に資するAM菌の新規バイオリソース開発を行います。

微小液滴による新規微生物培養技術の開発
地球上にはおよそ1兆種の微生物が存在し、99%以上は難培養性で培養することができません。進化の過程において微生物同士は複雑なネットワークを構築し、お互いに関係し合う共生関係を形成しています。そこで本研究テーマでは、マイクロ流路システムを用いて作成した微小液滴の中で複数の微生物を培養することにより、新規微生物培養技術の開発を目指します。微小液滴は直径数-数十ミクロンであり、マイクロ流路によって一分間に数百から数千個の生産が可能です。この微小液滴技術と次世代シーケンサーを活用した技術開発を行います。

植物-微生物共生におけるモデル実験系
植物-微生物共生のモデル実験系はマメ科植物や大型穀物に限られており、共生の分子メカニズムの実態解明や農業分野への応用を目指した大規模かつ詳細な実験を進めるにはまだ不十分です。そこで本研究テーマでは、モデル植物シロイヌナズナと同程度に栽培や分子遺伝学解析が容易で、AM菌との共生が解析可能なミナトカモジグサ(Brachypodium distachyon)を用いた新しいモデル実験系を確立します。植物と微生物が相互作用する時空間別のマルチオミクス解析や分子遺伝学的解析を実施することにより、植物-微生物共生分野の研究を促進する基盤を整備するとともに、植物-微生物共生の分子メカニズムの全容に迫りたいと考えています。

マルチオミクスと統合モデリングによる作物生産シミューレーション
人類は緑の革命により人口増加を支える食料供給を実現した一方、農地への過剰な施肥により環境汚染や土壌の劣化を招きました。作物生産と地球環境保全の両立する完全資源循環型の食料生産システムを実現するため、本研究テーマでは、農業を取り巻く環境である農業生態系をデジタル化してサイバー空間でエンジニアリングする「農業環境エンジニアリングシステム」を開発します。本システムは、気象予測とその土地の土壌データから作物の収量や品質さらに環境負荷を予測して、最適な栽培管理の意思決定をサポートします。本システムにより、それぞれの土地で安定した収量・品質の作物をオーダーメイド生産することを可能とし、高収益化とともに完全資源循環を実現します。
*本プロジェクトは内閣府ムーンショット型農林水産研究開発事業の支援を得て遂行します。
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樹木-菌根菌の共生バイオセンサーの開発
日本の国土の約7割は森林です。そこでは主に外生菌根菌が植物-微生物共生システムを担っています。この微生物は、共生する樹木の成長を飛躍的に促進することから、森林保全や造林業への活用が期待されています。菌種によって異なる共生機能を評価する手法として、単一の菌種を樹木の苗に感染させて成長量を比較する接種試験が一般的です。しかし、この手法を使って多様な菌種を網羅するには多大なコストが掛かってしまいます。そこで本研究テーマでは、野外でも容易に収集可能な菌根トランスクリプトームに基づくバイオセンサーを開発することにより、森林における植物-微生物共生システムの全容を捉えたいと考えています。