広報活動

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2015年5月12日

理化学研究所

シロアリは腸内微生物によって高効率にエネルギーと栄養を獲得

-セルロースを分解する原生生物とその細胞内共生細菌が多重機能により共生-

本研究で明らかになった細胞内共生細菌の役割の図

シロアリ腸内の模式図

シロアリが摂取したセルロースは、腸内の原生生物に取り込まれて分解され、酢酸、二酸化炭素、水素を生じる。酢酸はシロアリのエネルギー源として吸収・利用される。細胞内共生細菌には、窒素固定の働きもあり、固定されたアンモニアはさらに、アミノ酸やビタミンなど栄養価の高い窒素化合物の生合成に用いられる。

シロアリは、木造家屋に棲みついて木材などを食い荒らす害虫ですが、自然界においては、木質の主成分であるセルロースの分解に重要な働きをしており、「枯れ木の分解屋」とも呼ばれています。植物バイオマスの中でもセルロース系バイオマスは細胞壁が主成分であり、食糧となる実や塊根ではないため世界的な食糧不足にも影響を与えません。こうした理由から、高いセルロース分解能力をもつシロアリの腸内微生物の働きを明らかにすることが、セルロース系バイオマス資源を活用する上で有効であると考えられています。しかし、シロアリの腸内微生物の分離・培養が難しいことや、原生生物と細菌が複雑な微生物群集を作っていることもあって、個々の微生物がどのように働き、どのように相互作用してセルロースを有効に利用しているかは、よく分かっていませんでした。

研究チームは、オオシロアリの腸内でセルロースの分解に最も重要な働きをする原生生物の細胞内に共生する細菌に注目し、シロアリ腸内の細菌に特徴的な働きである「還元的酢酸生成」と「窒素固定」の2つの機能を調べました。還元的酢酸生成は、セルロース分解時に副産物として生じた二酸化炭素と水素から、エネルギー源となる酢酸を作り出す機能です。シロアリはこの働きによってセルロースに含まれる炭素源のほとんどをエネルギーとして回収しています。一方窒素固定は、セルロースには少量しか含まれていない窒素源を空気中の窒素を固定化することによって獲得し、アミノ酸などに変換する機能です。腸内の微生物群からセルロース分解に最も重要な働きをする大型の原生生物を調べたところ、還元的酢酸生成が約6割、窒素固定がほぼ全てと、両機能とも高い活性が見られました。また、細胞内共生細菌を培養せずに解析するゲノム解析法を使ってゲノム配列を決定した結果、2つの機能に関係した遺伝子がシロアリ腸内で高発現していることが分かりました。これにより、還元的酢酸生成と窒素固定という2つの機能に関して最も重要な働きをする腸内細菌が、原生生物の細胞内に共生していることが明らかになりました。

今回の研究によって、原生生物と細菌が細胞内での共生関係を進化させることで、セルロース資源を有効利用し、足りないものを効果的に補うという高効率な生物システムがシロアリの腸内に作られてきたことが示されました。今後、こうしたシステムがセルロース資源の有効活用に応用されていくことが期待されます。

理化学研究所
バイオリソースセンター 微生物材料開発室
室長 大熊 盛也 (おおくま もりや)