シアノバクテリアの休むという生存戦略 不活性な細胞が分布範囲の拡大に寄与する

東京大学大学院農学生命科学研究科の増田貴子研究員（現、チェコ科学アカデミー研究員）、古谷研名誉教授（現、創価大学教授）、同大学大気海洋研究所高畑直人助教、塩崎拓平准教授、佐野有司教授、ワシントン大学海洋学科の井之村啓介研究員、Curtis Deutstch教授、チェコ科学アカデミーのOndrej Prasil教授による国際共同研究チームは、窒素固定生物の窒素代謝が細胞間で不均一であり、この不均一が細胞群集としてエネルギー需要量を軽減して分布範囲を拡大できることを明らかにしました。本成果はNature Researchが提供するオープンアクセス・ジャーナルCommunications Biology誌に掲載されました。

窒素は海洋の一次生産の律速要因であるため、生態系による炭酸固定機能を明らかにするためには窒素収支を明らかにすることが重要です。海洋の窒素固定生物は生物が利用可能な窒素を系外から供給するため海洋生態系およびそれを介した生物地球化学循環の起点となります。分類学的に多様な窒素固定生物は広域に分布しており、必要なエネルギーを賄うために異なる環境では異なる戦略を持つと考えられますが、生理学的戦略が生態学的ニッチにどのように影響を与えるのかについてはほとんど判っていません。

研究グループは2種の単細胞性窒素固定生物Crocosphaera watsonii PS0609、Cyanothece sp. ATCC51142を用いて培養実験およびモデル実験を行ない、これらのクローン株では炭素（C ）、窒素（N）の代謝が細胞間で不均一であり、この不均一性が細胞群集としてエネルギー需要量を軽減してより光の少ないところまで分布範囲を拡大できることを示しました。

上記の生物を同位体ラベルした¹⁵N₂ガスおよびH¹³CO₃^-イオンのもとで培養し、これらの栄養分が細胞内にどのように取り込まれるかを調べました。二次イオン質量分析計NanoSIMSを用いてどの細胞が¹³Cや¹⁵Nを取り込んだかを観察することで、すべての細胞が窒素固定を行なっているわけではないことがわかりました。さらにモデル計算により、窒素固定をしない細胞が存在することにより、全ての細胞が窒素固定する場合に比べて、コミュニティとして消費する有機体炭素の量を減らすことができることを示しました。つまり窒素固定した細胞が排出したNH₄⁺イオンを別の細胞が利用することでエネルギー消費を減らすことができると考えられます（図）。さらに増殖速度が低いほど炭素の節約量が大きくなり、より光の少ない深いところまで生存することが可能になることがわかりました。

「この結果は、省エネで窒素を有効活用する優れた戦略を示していると考えられます」と増田研究員は話します。「このような代謝の不均一性が海洋で実際に起こっていれば窒素固定活性の見積もりが修正される必要があり、より正確な全球レベルの窒素循環研究の糸口となる可能性があります」と続けます。