Microbial processes regulating carbon/nitrogen cycling and methane release in unfertilized paddies

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無肥料栽培では水田土壌の窒素欠乏条件が起こり，窒素固定をする細菌が有利になる。本試験では次世代シークエンスを利用して無肥料条件下で起こる水田の炭素・窒素循環を司る細菌群集の網羅的解析を行った。弘前市の自然栽培農家の水田から採取した土壌を用い，ポット条件での生育試験を行った。乾燥させた土壌（含水率3％）で育てたイネは湿潤土壌（含水率50％）で育てたイネより2ヶ月後に3倍の生長量と2倍高い葉身窒素濃度を示した。窒素固定細菌群集を解析したところ，乾燥土壌区ではメタン分解菌，硫酸還元菌，鉄還元菌など水田土壌での有機物の一連の分解過程の中で酢酸や水素を利用してエネルギーを獲得する分解の最終段階に現れる細菌群であった。乾燥処理でイネの成育が増加するのは，好気条件で植物繊維などの有機物ポリマーの分解が促進され，分解の下位に位置する窒素固定細菌が活性化し，土壌からの窒素供給が向上することが原因であった。窒素固定遺伝子を持つ細菌の中には，窒素固定機能を持たない退化した遺伝子の残骸をもつ細菌も存在するので，遺伝子配列から検出された細菌がすべて窒素固定能を持つとは限らない。シークエンス解析により得られたASV(塩基配列を基にした分類単位)のうち，乾燥土壌区でのみ増加したASVを窒素固定に関与した細菌と捉え，上位100のASVの内，乾燥処理で有意に増加したASVを同定した。乾燥処理区で増加したASVは，メタン分解菌（Methylosinus, Methylomonas），鉄還元菌（Geobacter）,硫酸還元菌(Desulfobulbis)であり，メタン分解菌の割合が顕著に高かった。このことから，無肥料条件でメタンをエネルギー源とする窒素固定細菌が活性化することで，水田の炭素・窒素循環を大きく変化させる可能性が示された。