生物肥料としての窒素固定菌の活用

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作成： 2003/11/19 大山卓爾データ番号　　　：020225 生物肥料としての窒素固定菌の活用目的　　　　　　：窒素固定研究および生物肥料としての窒素固定菌の活用のためのアイソトープの利用放射線の種別　　：ガンマ線,陽電子,安定同位体放射線源　　　　：サイクロトロン、¹⁴C、¹⁵N、¹³N、¹¹C、 ⁶⁰Co線源利用施設名　　　：日本原子力研究所高崎研究所AVFサイクロトロン応用分野　　　　：窒素固定研究、植物栄養、作物栽培、土壌肥料、微生物肥料、概要　　　　　　：ダイズなどのマメ科作物は、土壌微生物である根粒菌と共生し,空中窒素を固定利用することができる。根粒の窒素代謝の研究や圃場での窒素固定の見積もりのために安定同位体の¹⁵Nが利用されている。最近、サイクロトロンで製造した¹³Nや¹¹Cを用いて根粒の生長や窒素固定に及ぼす硝酸の影響が植物用ポジトロンイメージング装置で画像解析可能となった。また、根粒菌の窒素固定と調和した新しい施肥法が開発された。詳細説明　　　　：ダイズは、種子中に約40％と多量のタンパク質を含み、開花期以降大量の窒素を必要とする。ダイズは、根に根粒菌との共生器官である根粒を形成し、空気中の窒素ガスを固定利用でき、全窒素の50-80％を根粒に依存している。一方、根から吸収する化合態窒素（主に硝酸）も利用できるが、土壌中に高濃度に硝酸が存在すると根粒形成と窒素固定が強く抑制されることが知られている。ダイズ根粒の窒素固定を十分に活用するためには、優良根粒菌が適正に着生することが重要であるが、新規造成地などでは土着根粒菌が存在しない場合があり、また、土着根粒菌の窒素固定効率が悪い場合には、生物肥料として根粒菌を接種することが重要である。根粒の窒素固定研究や農業現場における窒素固定の活用のためのアイソトープや放射線の利用について紹介する。１）根粒の窒素固定研究への¹⁵Nの利用：¹⁵N標識窒素ガスを根粒に固定させるトレーサー実験により、窒素固定で生成したアンモニアは速やかに根粒菌から植物細胞に渡され、植物細胞内でグルタミン、グルタミン酸に同化され、ダイズの根粒からの主な窒素の移動形態であるウレイド（アラントイン、アラントイン酸）に取り込まれることが確認された（図1）。図1　ダイズ根粒と根の窒素代謝の概略（参考資料1より引用）一方、根から与えた¹⁵N標識硝酸は主に硝酸とアスパラギンとして移動した。（原論文1,2、参考資料1）２）窒素固定研究への植物用ポジトロンイメージング装置の利用：近年、サイクロトロンで製造した短半減期の¹³Nや¹¹Cの植物体内の移動を二次元画像として経時的に測定する技術が原研と浜松ホトニクスにより開発され、植物栄養生理学分野の研究に使われはじめた（図2）（参考資料2）。図2　植物用ポジトロンイメージング装置によるダイズ植物体内の硝酸の移動のリアルタイム観察（原論文3より引用）ダイズの根から与えた¹³N標識硝酸由来の¹³Nは、投与約10分後には葉柄に観察され、その後葉身への一貫した取込みが見られた（原論文3）。ダイズの個々の根粒の粒径を測定し、根粒生長と窒素固定が培地への硝酸添加により急速かつ可逆的に抑制されることを見い出した。その原因が、培地に硝酸を与えると光合成産物の根粒への分配が低下し、根への分配が増加することを¹¹CO₂を用いたポジトロンイメージング解析と¹⁴CO₂トレーサー実験による定量的実験により明らかにした（原論文4）。３）根粒菌の窒素固定と調和した緩効性肥料の深層施肥技術の開発：窒素施肥は、ダイズの根粒形成と窒素固定を阻害するため、我が国のダイズの栽培では、少量の窒素肥料基肥のみで栽培されている。しかしながら、根粒にだけ依存した栽培では、茎葉部の生長が不十分であったり、登熟期に窒素固定活性が低下し,低収量となることが多い。そこで、根粒の着生が少ない地下20cmの位置に緩効性窒素肥料の被覆尿素を深層施肥することにより、窒素固定を阻害せず子実収量も安定的に向上した。¹⁵N標識肥料の利用により肥料からの窒素利用率を調べたところ、基肥硫安の利用率は10％程度に留まっていたのに対し、深層施肥した被覆尿素は約60％と驚異的な利用率を示した。また、導管液の成分（ウレイド、硝酸、アミド）から窒素固定依存率を見積もる相対ウレイド法を適用し、被覆尿素の深層施肥が窒素固定を抑制しないことを確認した（原論文5）。さらに被覆尿素より安価な石灰窒素においても収量に対して被覆尿素と同等以上の効果が認められた。また、あらかじめペーパーポットに根粒菌を接種して移植したダイズがもっとも収量が高かった（図3）（原論文6,7）。図3　緩効性窒素肥料の深層施肥および根粒菌接種方法がダイズの株あたり子実窒素含有量に及ぼす影響（原論文7より引用）コメント　　　　：東京大学名誉教授の熊澤喜久雄先生の研究室における¹⁵N発光分光法の開発と普及により、根粒の窒素固定研究はじめ植物の窒素代謝や肥料の研究に安定同位元素の¹⁵Nの利用は極めて重要な貢献をして来た。さらに、植物用ポジトロンイメージング装置の開発により、窒素や炭素、その他のポジトロン放出元素の植物体内の動きを二次元分布としてリアルタイムで観察できるようになった。この技術と従来の放射性同位元素や安定同位元素を併用することにより、植物の養分吸収や移動について、よりダイナミックな研究が展開されて来ている。また、根粒菌接種用担体の滅菌に⁶⁰Co照射を用いることが最適であり、経済的にも引き合うような技術として普及が期待される（参考資料3）。原論文１ Data source 1： Incorporation of¹⁵N into various nitrogenous compounds in intact soybean nodules after exposure to¹⁵N₂ gas Takuji Ohyama, Kikuo Kumazawa Faculty of Agriculture, University of Tokyo Soil Science and Plant Nutrition, 24, 525-533 (1978) 原論文２ Data source 2： Assimilation and transport of nitrogenous compounds originated from¹⁵N₂ fixation and¹⁵NO₃ absorption. Takuji Ohyama, Kikuo Kumazawa Faculty of Agriculture, University of Tokyo Soil Science and Plant Nutrition, 25, 9-19 (1979) 原論文３ Data source 3： Analysis of nitrate absorption and transport in non-nodulated and nodulated soybean plants with¹³NO₃- and¹⁵NO₃- Takashi Sato*, Norikuni Ohtake*, Takuji Ohyama*, Noriko S. Ishioka**, Satoshi Watanabe**, Akihiko Osa**, Toshiaki Sekine**, Hiroshi Uchida****, Atsunori Tsuji****, Shinpei Matsuhashi***, Takehito Ito***, Tamikazu Kume*** *Faculty of Agriculture, Niigata University; **Deparment of Radioisotopes, JAERI; ***Environmental Resources,Department of Radiation Research,JAERI;****Central Research Laboratory, Hamamatsu Photonics Co. Radioisotopes, 48, 450-458 (1999) 原論文４ Data source 4： Quick and reversible inhibition of soybean root nodule growth by nitrate involves a decrease in sucrose supply to nodules Hiroyuki Fujikake*, Akihiko Yamazaki*, Norikuni Ohtake*, Kuni Sueyoshi*, Shinpei Matsuhashi**, Takehito Ito**, Chizuko Mizuniwa**, Tamikazu Kume**, Shoji Hashimoto**, Noriko-Shigeta Ishioka***, Satoshi Watanabe***, Akihiko Osa***, Toshiaki Sekine***, Hiroshi Uchida****, Atsunori Tsuji****, Takuji Ohyama*, *Faculty of Agriculture, Niigata University; **Takasaki Radiation Chemical Research Establishment, JAERI; ***Department OF Radioisotopes,JAERI;****Central Research Laboratory, Hamamatsu Photonics Co. Journal of Experimental Botany, 54, 1379-1388 (2003) 原論文５ Data source 5： Evaluation of N₂ fixation and N absorption activity by relative ureide method in field-grown soybean plants with deep placement of coated urea Yoshihiko Takahashi*, Toshiaki Chinushi*, Tomio Nakano*, Takuji Ohyama**, Niigata Agricultural Experiment Station ; Faculty of Agriculture*, Niigata University** Soil Science and Plant Nutrition, 38,699-708 (1992) 原論文６ Data source 6： Effect of deep placement of calcium cyanamide, coated urea, and urea on soybean (Glycine max (L.) Merr.) seed yield in relation to different inoculation methods. Kaushal Tewari*, Taketo Suganuma*, Hiroyuki Fujikake*, Norikuni Ohtake*, Kuni Sueyoshi*, Yoshihiko Takahashi**, Takuji Ohyama*, Faculty of Agriculture, Niigata University*; Niigata Agricultural Research Institute**: Soil Science and Plant Nutrition, 48,855-863 (2002) 原論文７ Data source 7：窒素深層施肥と根粒菌接種が客土造成転換畑初作ダイズに及ぼす影響 Kaushal Tewari*, 皆川律子*、菅沼丈人*、藤掛浩行*、大竹憲邦**、末吉　邦**、高橋能彦***、土田　徹***、大山卓爾** *新潟大学大学院自然科学研究科；**新潟大学農学部: ***新潟県農業総合研究所日本土壌肥料学雑誌, 74,183-189 (2003) 参考資料１ Reference 1：ダイズの窒素代謝に関する栄養生理学的研究大山卓爾新潟大学農学部日本土壌肥料学雑誌, 71,299-302 (2000) 参考資料２ Reference 2：ポジトロン放出核種の植物体における非破壊的・経時的・動態解析山崎慎一*・吉羽雅昭**・藤田耕之輔***・関根俊明****・内田博*****・松橋信平****・大山卓爾＊＊＊＊＊＊・中西友子＊＊＊＊＊＊＊・森敏＊＊＊＊＊＊＊ *東北大学大学院農学研究科；**東京農業大学；***広島大学;****日本原子力研究所；*****浜松ホトニックス（株）；＊＊＊＊＊＊新潟大学農学部；＊＊＊＊＊＊＊東京大学大学院農学生命科学研究科日本土壌肥料学雑誌, 71,927-933 (2000) 参考資料３ Reference 3：アジアにおけるバイオ肥料の研究と利用技術の交流を目指してーアジア原子力協力フォーラムでプロジェクト開始ー大山卓爾新潟大学農学部 Isotope News jun.'02 No578,2-9(2002) キーワード：生物肥料, 窒素固定, ダイズ, 根粒, 根粒菌, 重窒素, ペーパーポット, ポジトロンイメージング装置, 被覆尿素, 石灰窒素, 深層施肥, biofertilizer, nitrogen fixation, soybean, root nodule, rhizobia, ¹⁵N, paper pot, Positoron Emitting Tracer Inmaging System, coated urea, calcium cyanamide, deep placement of fertilizer 分類コード：020301,020501,020503
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