形質転換イネ系統でのメタン排出削減は根圏微生物の水素循環変化と関連する

稲作、気候、そして賢い根の可能性

稲は世界の約半分の人々の主食である一方、湛水した水田は強力な温室効果ガスであるメタンの大きな人為的発生源の一つでもある。世界の米需要が増えれば、対策を講じない限りこれらの排出も増える可能性がある。本研究は、意外に微妙な操作でメタンを減らせる可能性を探る――イネの根の成長や根から土壌へ放出される物質を調整することで、メタンを生成・消費する微小な生態系を形作り直すというものだ。

再設計されたイネでメタンを抑える

研究者たちは、根の発達を自然に制御する小さなシグナル分子であるPSYペプチドを過剰に産生するように遺伝子改変したイネを調べた。これらの「PSYイネ」は、通常のイネとともに温室の水田タンクで実土に植えられた。70日間の観察で全ての植物は良好に生育したが、PSY系統はメタン排出が大幅に少なかった。ある系統（PSY1）は約38％低く、別の系統（PSY2）は約58％低かった。水田が世界の農業由来温室効果ガス排出の概ね1割を占めると推定されることを考えれば、この削減は重要である。

異なる根が地中の世界をどう変えるか

地表下では、PSY植物は外見と挙動が異なっていた。主根がより長く、内部の気道（通気組織：エアレンキマ）が増え、細胞壁中の硬い化合物リグニンが少なかった。これらの特徴は根から周囲の泥へ酸素が漏れやすくする可能性が高い。酸素はメタンを分解する微生物や、炭素を別経路で処理する微生物を支え、土壌内でのメタン生成と除去の微妙な均衡を変える。だが微生物種の全体的な組成はPSYと通常の植物で驚くほど似ており、最も変わったのは種の存在比ではなく、各グループの活動度であった。

微生物、水素、そしてメタン生成の流れ

湛水した水田のメタンは主に水素ガスと二酸化炭素を燃料にする特殊な微生物によって作られる。研究チームは、通常のイネ周辺の土壌では時間とともにメタン生成に関わる遺伝子の活性がメタン分解に関わる遺伝子よりも高まることを見いだし、システムがより多い排出側に傾いていることを示した。対照的にPSY植物周辺の土壌では、メタン生成活性とメタン消費活性の比率が低く保たれていた。詳細な遺伝子発現解析により、PSY土壌では水素を生成する酵素の活動が低く、水素を消費する酵素の活動が高いこと、特に水素をエネルギー源にする細菌でその傾向が顕著であることが示された。残る水素が少ないため、メタン生成微生物に燃料を供給する「パイプライン」は事実上絞られている。

根の分泌物：適切な微生物に餌を与える

研究はまた、根が水中に放出する化合物の混合物（根分泌物）を調べた。PSY根は通常の根とは異なる分子の組み合わせを放出しており、特に小さな有機酸やアミノ酸が多く、糖新生と関連する代謝経路に結びつく成分が目立った。代謝物測定とゲノムに基づく代謝モデルを組み合わせると、水素を消費する細菌はこれらの酸を利用する能力に優れている一方で、水素を生成する微生物はそれほど適していないことが示された。土壌インキュベーション実験では、PSY由来の分泌物を加えると通常のイネ由来の分泌物を加えた場合よりもメタンの蓄積が低くなり、根化学の変化が微生物活動を直接メタン生成から遠ざけることを支持した。

気候に優しい稲作への新たな道筋

専門外の読者に向けた要点は、稲の根の成長様式や放出物を変えるだけで、水管理や肥料管理を大幅に変えずともメタン排出を大きく削減できる可能性があるということだ。PSYイネ系統は根域により多くの酸素と微生物が好む酸を送り込み、水素を好む細菌を促進し、メタン生成微生物の燃料を枯渇させる。本研究は温室の制御条件下で行われており、現地の圃場試験で確認が必要だが、収量や病害抵抗性だけでなく、作物の気候負荷を左右する目に見えない化学特性を設計目標に含めるという、有望な育種・バイオテクノロジー戦略を示している。

引用: Shi, LD., Ercoli, M.F., Kim, J. et al. Reduced methane emissions in transgenic rice genotypes are associated with altered rhizosphere microbial hydrogen cycling. Nat Commun 17, 2028 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68640-9

キーワード: イネ メタン, 根のマイクロバイオーム, 温室効果ガス削減, 形質転換作物, 土壌微生物