一杯の水・一掴みの土から生態系の壊れにくさを診断しよう ～細菌群集が担う生態系レジリエンス診断評価技術の開発～
龍谷大学生物多様性科学研究センター 鄭琬萱博士・三木健教授・山中裕樹教授らの国際共同研究グループが環境DNA分析と生態系シミュレーションを統合した診断評価手法を開発
【本件のポイント】
- 微生物は、有害物質の無毒化・植物への栄養供給・カーボンサイクルの維持などの観点で、生態系の土台となっている。
- 生物多様性の喪失と生態系機能の劣化を独自のシミュレーションモデルによって予測することで、細菌の集団が担う生態系機能がどれだけ壊れにくいか（生態系レジリエンス）を定量的に診断・評価する技術を開発。
- 自然環境以外に、農地や都市などさまざまな環境に応用可能な技術。生態系レジリエンスの長期モニタリングや自然環境保全地域・自然共生サイトの選定、および土地開発時の環境影響評価、TNFDレポートでのLEAPアプローチへの早期活用が期待される。
【本件の内容】
有害物質の無毒化・植物の成長のための栄養供給・カーボンサイクルの維持などにとってかけがえのない微生物は、地球上のありとあらゆる環境で生態系の土台となっています。特に細菌は地球上で植物を除いて最も生物量の大きなグループであり、人間も含めた動物すべてを合わせた生物量の30倍近いカーボンを保持しています。細菌の絶滅については植物や昆虫・哺乳類などの大型生物の絶滅に比べると研究は進んでいませんが、森林から農地、農地から都市への土地改変等によって、局所的な絶滅や細菌叢の単純化の危険性が明らかになりつつあります。
魚類・鳥類や昆虫などさまざまな生物に対する生物多様性評価に環境DNA技術が普及し始めています。しかし、それらの生物が生態系で担う役割までを推定することはなかなかできません。一方、環境微生物についてはDNA回収・同定技術だけでなく、膨大な種類の細菌の全ゲノムデータがすでに蓄積されています。そのため、「環境中にどんな細菌グループが存在するか？」を環境DNA技術で明らかにすれば、全ゲノムデータと生物情報学のツールを使って、「細菌叢は環境中でどのような機能を担っているのか？」まで推定することができるのです。
しかし、「細菌叢は環境中でどのような機能を担っているのか？」までは推定できても、そのままでは経済活動や保全活動における意思決定プロセスに直接寄与することができません。そこで本研究では、生態系の現状を把握し、さらに人為的な開発の許容度や保全の必要性の優先順位の評価に資することを目指し、「生態系の壊れにくさ＝生態系レジリエンス」という新しい着眼点での診断・評価方法の開発を進めました。
本研究では、初めに、環境DNA情報・ゲノム情報・生物情報学のツールを用いた生態系機能推定が、細菌叢の担う生態系機能の定量化に有効であることを実験的に検証しました。次に、生物多様性が失われていくとともに生態系機能が劣化していく道筋を絶滅シミュレーションモデルによって予測することで、生態系の壊れにくさを診断する手法を開発しました。最後にこの診断結果に基づいて複数の生態系間で生態系劣化の程度を比較することで、壊れにくさの大小に基づいて環境評価をする提案を行いました。
琵琶湖周辺での仮想例で説明すると（図１）、生態系の特性は場所ごとに大きく異なるため、同程度の種の絶滅が起きても、生態系の機能が劣化する程度は大きく異なります。本研究では、生態系の劣化レベルを、生態系機能を担う遺伝子の種類の減少という視点から定量化しました。
図１ 生態系の壊れやすさをどのように診断するか？
より具体的には、[細菌叢内の機能遺伝子数] = c×[単位分類群数(ASV数)]a という式であらわされる関数を用いて生物多様性と生態系劣化の程度についてのシミュレーション結果を近似し、指数aが大きいほど壊れやすく、aが小さいほど壊れにくい生態系であると診断します。つまり指数aは生態系の「レジリエンス指数」とみなすことができるのです。
また、その適用例として、琵琶湖とその流入河川である姉川・愛知川・日野川・野洲川に開発した手法を適用したところ、生態系間でその壊れにくさは大きく異なり、琵琶湖が最も壊れやすい（＝レジリエンスが低い）との診断結果を得られました（図２）。琵琶湖に流入する大小さまざまな河川にこの技術を適用すれば、たとえば琵琶湖の西側と東側でどちらの河川生態系が壊れにくいかの診断・評価が可能であると言えます。
図２ レジリエンス指数の琵琶湖及び４河川間の比較。無作為(ランダム)絶滅シナリオという
最も基本的な設定下での生態系シミュレーションの結果による。
【研究の経緯と今後の展開】
本研究は、2014年に細菌の集団が持つ多様な機能を数値化する新しい手法として提案されたアイデアを原点としています。当時、この手法は国立台湾大学海洋研究所の三木氏と愛媛大学沿岸環境科学研究センターの横川氏、近畿大学の松井氏の3者によって考案されました1。その後、この研究を2018年度から住友財団の環境研究助成を受けて発展させ、細菌の生態系における役割を定量化する新しい手法を開発しました２。また、この成果を基にした三木氏・横川氏・松井氏による技術提案は、2023年7月に開催された「第8回滋賀テックプラングランプリ」で特別賞を受賞しています。さらに、生物多様性科学研究センターの客員研究員として龍谷大学に滞在していた鄭琬萱博士らとの共同研究を通じて、この技術を生態系の健全性を診断・評価するための方法として具体化しました。今回の論文は、その集大成ともいえる成果を発表したものです。
この診断・評価方法の利用においては、大規模な測定装置や複雑な実験は全く必要ありません。まず、水域を対象とするのであれば一杯の水を、陸域を対象とするのであれば一掴みの土を採取して、最新の環境DNA技術を用いてそのなかの細菌叢の構成種を特定します。次に、構成種の特徴に応じて絶滅しやすさを設定し、細菌叢から多様性が失われていく過程でどれだけ細菌が担う機能が維持されうるかを生態系シミュレーションにより診断・評価することができます。この技術は自然環境だけではなく、農地や都市などさまざまな環境にそのまま応用可能で、サンプルを回収する地点数に応じて小規模な評価から大規模な評価まで大小さまざまなスケーリングが容易です。この技術は、生態系レジリエンスの長期モニタリングや、生物多様性保全区や自然共生サイトの選定、および土地開発時の環境影響評価、ＴＮFＤレポートでのLEAPアプローチにおける診断(E)・評価(A)ステップにすぐに活用できると期待できます。
【謝辞】
本研究は、住友財団環境研究助成（2018年度）、日本学術振興会科学研究費（19H05667、 19H03302、 19H00956、 23H00538）、アレクサンダー・フォン・フンボルト財団奨学金の助成を受けて行われました。
【研究チーム】
国立台湾大学漁業科学研究所
（龍谷大学 生物多様性科学研究センター 客員研究員） 鄭 琬萱 博士
龍谷大学 先端理工学部 三木 健 教授
龍谷大学 先端理工学部 山中 裕樹 教授
龍谷大学 理工学部 4回生 井戸 基博 氏（2019年度当時）
近畿大学 農学部 （龍谷大学 生物多様性科学研究センター 客員研究員）米谷 衣代 准教授
近畿大学 理工学部 松井 一彰 教授
国立研究開発法人海洋研究開発機構 超先鋭研究開発部門 横川 太一 副主任研究員
京都大学生態学研究センター 中野 伸一 教授
【発表論文】
英文タイトル：
Advancing Marker-Gene-Based Methods for Prokaryote-Mediated
Multifunctional Redundancy: Exploring Random and Non-Random
Extinctions in a Catchment
和 訳：細菌が担う生態系の多機能性冗長性評価のためのマーカー遺伝子を用いた新
手法：ある流域におけるさまざまな絶滅シナリオを検討する
掲載誌：Freshwater Biology, Volume70, Issue3, March 2025, e70020
U R L ：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/fwb.70020
著 者：Wan-Hsuan Cheng, Takeshi Miki, Motohiro Ido, Kinuyo Yoneya,
Kazuaki Matsui, Taichi Yokokawa, Hiroki Yamanaka, Shin-ichi Nakano
【問い合わせ先】
龍谷大学先端理工学部環境科学課程 教授 三木 健（みき たけし）
メール tksmiki@rins.ryukoku.ac.jp
ＵＲＬ https://sites.google.com/view/quantitative-ecology-lab/home/
【用語の説明】
環境ＤＮＡ：河川や湖、土壌中、空気中などに生物の細胞片の中にあるＤＮＡとして放出されている遺伝子情報。特に細菌などの単細胞生物の場合、ＤＮＡは生きた（細菌）細胞の中で安定して存在するため、少量の水または土壌の採取によって大量のＤＮＡを回収することが可能である。
生態系シミュレーション：生態系のように大規模なシステムについては、直接人為的な操作を加える実験を行うことが非常に難しい。そのため、注目する特徴を十分に反映したシミュレーションモデルを作成し、コンピュータの中で生態系の変遷過程を追跡することが可能である。
生態系機能：主に経済学的指標である「生態系サービス」や、より包括的な概念である「自然がもたらすもの（ＮCP）」の土台となり、物質生産、水循環、カーボンサイクル、気候の安定化など地球環境の安定的維持に不可欠なプロセスを担う生態系のはたらきのこと。
レジリエンス指数：これは本プレスリリースにおいて研究の内容を分かりやすく解説するための便宜的な名前であり、生物多様性・生態系研究においては、生態系の多機能冗長性（Multifunctional Redundancy）と呼ばれている。ここでは指数aの値が大きいほど冗長性（類似した機能を持つ代替種が存在する可能性）が低く、壊れやすい～すなわちレジリエンスの低い～生態系であると診断できる。
TNFDレポート：TNFDとはTaskforce on Nature-related Financial Disclosures （自然関連財務情報開示タスクフォース）の略称である。TNFDが2023年9月に提案した情報開示の枠組みに沿って公開された各企業の報告書はTNFDレポートと呼ばれる。
【参考文献】
1. Takeshi Miki, Taichi Yokokawa, Kazuaki Matsui (2014) Biodiversity and multifunctionality in a microbial community: a novel theoretical approach to quantify functional redundancy. Proceedings of The Royal Society B 281: https://doi.org/10.1098/rspb.2013.2498
2. Wan-Hsuan Cheng, Chih-hao Hsieh, Chun-Wei Chang, Fuh-Kwo Shiah, Takeshi Miki (2022) New index of functional specificity to predict the redundancy of ecosystem functions in microbial communities. FEMS Microbiology Ecology 98:1-9 https://doi.org/10.1093/femsec/fiac058
配信元
龍谷大学 研究部（生物多様性科学研究センター）
Tel 075-645-2184 e-mail ryukoku.biodiv@gmail.com https://biodiversity.ryukoku.ac.jp/
近畿大学奈良キャンパス学生センター 本藤･松本
Tel: 0742-43-1639 FAX: 0742-43-5161
e-mail: nou_koho@ml.kindai.ac.jp
京都大学生態学研究センター 進藤 健司（総務）
Tel:077-549-8200 e-mail:shindoh.kenji.5u@kyoto-u.ac.jp
海洋研究開発機構 海洋科学技術戦略部報道室
Tel: 045-778-5690 e-mail:press@jamstec.go.jp
