アラスカ大学フェアバンクス校(米国)の Devin Drown らのチームは、ナノポア技術により作成したロングリード を活用し、永久凍土の融解が土壌の微生物コミュニティーに及ぼす影響を研究しています 1 。永久凍土とは、 地表面上または地表面下の永久的に凍結状態にある土壌、砂礫、砂の層をいいます
ある地域が永久凍土と判断されるには、2 年以上連続で持続的に 凍結状態にあることが条件となりますが、ほとんどの場合は数百年 または数千年にわたり凍結しています。永久凍土は地球上の大きな 部分を占めており、緯度または高度が高い寒冷気候地域に広がって います。永久凍土の上には活動層という薄い土層があります。 Devin らのチームは、気候変動により引き起こされた永久凍土融解 が活動層の微生物コミュニティーにどのような影響を及ぼし、ひいて はそのような土壌に生育する穀物にどのような影響が及ぶかを解明 したいと考えました。養分の獲得と循環には微生物と植物の相互 作用がきわめて重要であり、土壌の微生物コミュニティーに小さな 変化が生じただけでもその相互作用が妨げられる可能性があります 2 。
"土壌の微生物は、気候変動に 反応して植物の生育に変化を もたらす可能性がある1"
同チームはアラスカを拠点として、北方森林(別名、雪林)に見ら れる、永久凍土状態がさまざまに異なる土壌を対象に、ナノポア によるメタゲノムシークエンスを用いて微生物コミュニティーの研究 を行いました。北方森林には、アラスカ原住民コミュニティーの 食事に欠かせない多くの植物が生息しています。メタゲノミクスを 用いる場合、微生物を培養する必要がありません。Devin らの チームは、活動層の複雑な微生物コミュニティーの特性を迅速かつ 徹底的に解析する手段としてナノポア技術を選択しました。PCR フリーのナノポアシークエンスのロングリードであれば、従来の ショートリードシークエンス技術ではシークエンスが困難な領域に アクセスでき、複雑なコミュニティーから正確な微生物ゲノムを容易 にアセンブリできます。native DNA をリアルタイムでシークエンス できるため、効率的なライブラリ調製と所要時間の短縮が可能に なります。
同チームは、60 年以上前にアラスカの Fairbanks Permafrost Experiment Stationで人工的に誘発した永久凍土融解のプロット を用いて、北方森林に生息する 5 種の植物[Vaccinium vitis-idaea (クランベリー)、Vaccinium uliginosum(ボグブルーベリー)、Picea mariana(クロトウヒ)、Ledum groenlandicum(ラブラドル茶)、 Chamerion angustifolium(ファイアウィード)]の生育実験を実施 しています。永久凍土融解の程度が異なる土壌(「不撹乱」、「半撹乱」、 「高撹乱」)で植物が生育されました(図 1)。
図 1 植物生育実験の実験計画。画像の出典:Seitz et al. 1 。Creative Commons ライセンス(creativecommons.org/licenses/by/4.0) の下で公開。
融解する永久凍土の上にある活動層から採取した微生物コミュニ ティーを植物に接種したところ、ほとんどの場合は不撹乱活動層 から採取した微生物を接種した植物と比較して生産性が低下しま した。同チームは、別々の活動層に生息する微生物コミュニティー を解析するため、Ligation Sequencing Kit を用いて 4 枚の MinIONTM フローセルで 48 のメタゲノムをシークエンスしています。データセット を統合した結果、平均リード長は 2,594 bp、N50 リード長は 5,531 bp となりました。同チームは次に、Kraken3 と Bracken4 を用いてリード を処理し、それぞれ分類群の検出と存在量の推定を行いました。 その結果、微生物コミュニティー内で 24 の細菌門を同定しています。 データを視覚化したところ、土壌の種類によって微生物コミュニ ティー集団に差があり、不撹乱活動層と高撹乱活動層の差が最も 大きくなりました。
有用土壌微生物は植物の養分利用性を促進し、植物の生育と生産性 を向上させることが分かっています 2 。同チームが植物の健康な生育 に関連するバイオマーカーを解析したところ、Acidobacteriaceae や Bacillales など、植物の生産性と正の相関を示す微生物が、不撹乱 土壌サンプルでは高撹乱土壌サンプルよりも多く認められることが 確認されました。それに対して、さまざまな植物に病原作用を示す ことが分かっているComamonadaceae ファミリーは、不撹乱土壌 よりも高撹乱土壌に豊富に存在していました(図 2)。同チームは、 高撹乱土壌に検出された既知の植物病原菌が、養分の循環を破綻 させ、植物の根圏(根周囲の領域)に直接異常を引き起こして植物 の生育を抑制するという仮説を提唱しています
図 2 さまざまな種類の土壌に存在する細菌ファミリーの相対存在量。実線 は平均相対存在量を示すものです。画像の出典:Seitz et al. 1 。 Creative Commons ライセンス(creativecommons.org/licenses/ by/4.0)の下で公開。 この環境メタゲノミクス研究により、気候変動と永久凍土の融解、 微生物コミュニティーの変化、植物の健康、さらに広範なコミュニ ティーの健康との関係が具体的に明らかになっています 2 。
"本研究の結果から、植物の 生育抑制が微生物コミュニティーの 分類学的構成の変化と関連している 可能性が示唆される1"
Taking advantage of the long sequencing reads generated by nanopore technology, Devin Drown and his team at the University of Alaska Fairbanks, USA, have been researching how the thawing of permafrost may affect soil microbial communities1. Permafrost is a permanently frozen layer of soil, gravel, and sand, on or under the Earth's surface.
To be considered permafrost, the area must have been continuously frozen for at least two consecutive years but, in most cases, it has been frozen for hundreds or thousands of years. Permafrost covers large regions of the Earth, in areas with cold climates at high latitudes or altitudes. Sitting on top of the permafrost is a thin layer of soil, known as the active layer. Devin and his team wanted to understand how permafrost thawing, caused by climate change, affects the microbial communities in the active layer and how, in turn, this affects the crops which grow within the soil. Interactions between microbes and plants are critical for the acquisition and cycling of nutrients, and even small changes in soil microbial communities can disrupt plant-microbial interactions2.
'... soil microbes have the capability to alter plant growth in response to climate change'
Seitz, T.J., Schütte, U.M.E., Drown, D.M. Front. Microbiol. (2021)
Based in Alaska, the team applied nanopore metagenomic sequencing to the study of microbial communities in soils associated with differing permafrost conditions that can be found in boreal forests, also known as snow forests. These forests are home to many plants that are integral to the diets of native Alaskan communities. Using metagenomics means microorganisms do not need to be cultured. Devin and his team chose nanopore technology for a rapid, and thorough characterisation of the complex microbial communities in the active layers. Long, PCR-free nanopore sequencing reads enable access to regions that are difficult to sequence with traditional short-read sequencing technologies, facilitating the assembly of accurate microbial genomes from complex communities. Native DNA can be sequenced in real time, enabling streamlined library preparation and rapid turnaround times.
Using plots of artificially induced permafrost thaw, created over 60 years ago at the Fairbanks Permafrost Experiment Station in Alaska, the team conducted plant growth experiments with five plant species found in boreal forests: Vaccinium vitis-idaea (low-bush cranberry), Vaccinium uliginosum (bog blueberry), Picea mariana (black spruce), Ledum groenlandicum (Labrador tea), and Chamerion angustifolium (fireweed). The plants were grown in soils with differing degrees of permafrost thaw, termed 'undisturbed', 'semidisturbed', and 'most disturbed' (Figure 1).
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Figure 1. Experimental design of the plant growth experiment. Image from Seitz et al.1 and available under Creative Commons license (creativecommons.org/licenses/by/4.0).
Most of the plants inoculated with microbial communities from the active layer above thawing permafrost showed decreased productivity compared to plants inoculated with microbes from the undisturbed active layer. To analyse the microbial communities within the differing active layers, the team used the Ligation Sequencing Kit to sequence 48 metagenomes across four MinION Flow Cells. The combined datasets showed a mean read length of 2,594 bp, and a read length N50 of 5,531 bp. The reads were then processed using Kraken3 and Bracken4 to detect taxa and estimate abundance, respectively. The team identified 24 bacterial phyla within the microbial communities. Visualisation of the data showed that the microbial community populations differed between the different soil types, with the largest difference observed between the undisturbed and most disturbed active soil layers.
Beneficial soil microbes are known to enhance nutrient availability to plants, enabling increased plant growth and productivity2. The team analysed biomarkers associated with healthy plant growth and found microbes that have been positively correlated with plant productivity, such as Acidobacteriaceae and Bacillales, were highly represented in undisturbed soil samples compared with most disturbed soil samples. In contrast, members of the Comamonadaceae family, which are known to exhibit pathogenic effects on a variety of plants, were more abundant in the most disturbed soils compared with undisturbed soils (Figure 2). The team hypothesised that the known plant pathogens found in the most disturbed soil led to reduced plant growth, due to a disruption in nutrient cycling and direct alterations to the plant rhizosphere, the area around a plant root.
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Figure 2. Relative abundances of bacterial families in the different soil types. Solid lines represent mean relative abundance. Image from Seitz et al.1 and available under Creative Commons license (creativecommons.org/licenses/by/4.0).
This environmental metagenomics study formalises the links between climate change, thawing permafrost, changing microbial communities, plant health, and broader community health2.
'Our results suggest that a decrease in plant growth can be linked to changes in the taxonomic makeup of microbial communities'
Seitz, T.J., Schütte, U.M.E., Drown, D.M. Front. Microbiol. (2021)
参考文献
Seitz, T.J. et al. Frontiers in Microbiology 12:619711 (2022). Devin Drown. https://nanoporetech.com/resource-centre/video/lc21/evaluating-the-effects-of-the-changing-permafrost-ecosystem-through-the-lens-of-genomics [Accessed 24 August 2022] Wood, D.E., Lu, J. & Langmead, B. Genome Biol. 20:257 (2019). Lu, J. et al. PeerJ Comp. Sci. 3:e104 (2017).