湖の水中に生息する微生物の生態を研究しています。特に琵琶湖をはじめとする、大水深の淡水湖に出現する細菌群集に興味を持って研究しています。
※微生物生態学の重要性やその面白さについては、こちらもご覧ください↓
これまでの研究
これまでの研究では、大水深淡水湖の有酸素深水層には表水層とは大きく異なる独自の細菌系統群が生息していることを明らかにしてきました。
１. 琵琶湖深水層におけるCL500-11系統の優占の発見
琵琶湖全域の深水層でCL500-11系統の細菌が優占し、水温躍層の季節的な消長を反映した増減パターンを示すことを示しました。(Okazaki et al., 2013)。
※詳細はこちらもご覧ください⇒ 琵琶湖深水層で優占するCL500-11系統の細菌
２. 琵琶湖水中に生息する細菌群集の時空間網羅的な調査
琵琶湖において時空間網羅的な細菌群集組成の解析を行い、琵琶湖の深水層にはCL500-11以外にも深水層のみに生息する細菌系統が多数存在することを示し、深水層には表水層とは大きく異なる独自の細菌群集が生息していることを明らかにしました(Okazaki & Nakano 2016)。
※詳細はこちらもご覧ください⇒ 琵琶湖に生息する微生物の図鑑
３. 全国の大水深淡水湖の調査
さらに全国の10の大水深淡水湖で同様の調査を行い、琵琶湖で見つかった深水層特異的な細菌系統群が、琵琶湖だけでなく複数の大水深淡水湖に広くに分布し、優占することを示しました。(Okazaki et al., 2017)。
※詳細はこちらもご覧ください⇒ 淡水湖の深層に生息する細菌たち
現在行っている研究
これまでの研究によって、深水層に特異的に生息する細菌系統群の存在が一般性・定量性をもって明らかとなり、彼らに焦点を当てた詳細な研究の必要性が示されました。その中でも特に優先順位の高い研究として、現在は以下のようなテーマに取り組んでいます。
メタゲノム解析を用いた各細菌系統の生理・代謝活性の推定
光合成の一次生産に由来する新鮮な有機物の供給を常に受けている表水層の細菌群集とは異なり、光が届かない深水層の細菌群集は、表層での分解を免れた比較的難分解性の有機物を主な資源として利用していると考えられます。大水深淡水湖において、深水層は量的に大きな比率を占める水塊であり、そこに生息する細菌群集の生理・代謝活性を解明し、微生物による物質の分解・変換のプロセスを解明することは、湖全体の物質循環や生態系の理解を深めるうえで不可欠です。しかし、環境中の細菌のほとんどは培養が困難な系統で占められており、単離株を用いた実験系での生理・代謝活性の検証ができません。そこで本研究では、ショットガンメタゲノム解析によって環境中の細菌群集のDNAを網羅的にシーケンスし、得られたデータから遺伝子やゲノム情報を再構築することで、深水層の細菌群集の生理・代謝活性の解明を試みています。
ビローム解析による大水深淡水湖のウイルス(バクテリオファージ)多様性と生態の解明
メタゲノム解析で副次的に得られる水中のウイルス粒子(<0.2 μmの画分)から抽出したDNAのショットガンメタゲノムシーケンス(メタビローム)を行い、ウイルス（主にバクテリオファージ）ゲノムを再構築することで、その多様性と生態の解明を試みています。海洋では同様の手法によって環境中のウイルスの膨大な多様性が明らかになりつつありますが、淡水環境での研究はまだ少なく、特に大水深淡水湖のウイルス多様性に関してはほとんど情報がありません。本研究では「細菌と同様、それに感染するウイルスも深水層と表水層それぞれに特化した独自の系統が存在する」という仮説のもと、淡水湖の未知のウイルスゲノム・ウイルス遺伝子の多様性を明らかにしようと試みています。特に、優占的な細菌系統に感染するウイルスの特定と、その遺伝子情報から紐解かれるホストとウイルスの相互作用に注目して分析を進めています。
メタトランスクリプトーム解析によるメタゲノム・ビローム解析結果の定量化
上記のメタゲノム・ビローム解析は、環境中の細菌・ウイルスのゲノム情報を培養に頼ることなく網羅的に収集できる強力な手法です。しかし、そこで得られたゲノム情報が明らかにできるのは各細菌・ウイルスの「遺伝子の有無」、つまり「生理・代謝のポテンシャル」にすぎません。それぞれの生理・代謝能が環境中で実際に機能していることを検証するには、各遺伝子が実際に環境中で発現していることを確かめる必要があります。そこで本研究では、湖水中の細菌・ウイルスのmRNAの網羅的シーケンス（メタトランスクリプトーム解析）を行うことで、各遺伝子の発現量を明らかにし、さらにその季節・深度ごとのパターンも明らかにしようとしています。これにより、特に発現量の多い遺伝子や、深度・季節間で発現量の変動が激しい遺伝子に焦点をあてた詳細な分析が可能になり、未知の重要遺伝子が発見されることも期待されます。
大水深淡水湖をモデルとした細菌の系統地理的研究
これまで調査してきた全国の10の大水深淡水湖に加えて、未調査の国内の湖や、海外の湖にも調査対象を拡大し、深水層特異的な細菌系統が世界中に広く分布することを明らかにしつつあります。例えば、琵琶湖、チューリッヒ湖（スイス）、ミシガン湖（アメリカ）、いずれの湖の深水層でもCL500-11系統の細菌が優占していることが確認されています。互いに物理的に隔絶され、混ざり合うことが無いはずのこれらの湖に、なぜ同じ系統の細菌が生息しているのでしょうか？彼らは、遺伝的にも共通した集団なのでしょうか？それとも異なっているのでしょうか？異なっているなら、どの程度異なっており、何がその要因となっているのでしょうか？大水深淡水湖の細菌群集は、このような微生物の系統地理学的な問いに答えうる、恰好の研究対象であると考えています。これまでの研究で16S rRNA遺伝子の部分配列を1塩基レベルの解像度で分析した結果から、湖間である程度の遺伝的差異が存在することが示唆されていますが、対象領域が短く、はっきりした傾向を得るに至っていません。本研究では「16S rRNA全長＋ITS領域」を対象としたロングリードアンプリコンシーケンスによって、各細菌系統の湖間の多様性の高解像度かつ網羅的な解析を試みています。さらに一部の湖については、メタゲノム解析の結果を用いた湖間の比較ゲノムを解析を行い、さらに高解像度な全ゲノムレベルでの情報を得るとともに「どのような遺伝子が共通し、獲得され、欠損しているか」を手掛かりに、その進化・適応的な背景にも迫ることを目指しています。
長期的な展望
湖の深水層は比較的容易にアクセスでき、網羅的に調査できる環境でありながら、未だ未知の微生物の宝庫です。そこに生息する微生物群集は比較的攪乱の少ない環境で予測可能な安定した季節的動態を示し、懸濁物が少ないためにサイズ分画・顕微鏡観察・DNA抽出が容易であるといった技術上の優位性も有しています。また、それぞれの生息地（＝湖）は、陸地によって明確に隔離されており、物理的・化学的・歴史的に個性があるため、それらを互いに比較することで効率的に研究を行うことができます。私はこのような特長を持った湖の深水層の微生物生態学に大きな可能性を感じており、「物質循環」や「微生物食物網」といった水域微生物生態学の視点にとどまらず、そのポテンシャルを活かして生態学や微生物学、さらには生命科学全般の問いに応えうる、研究モデルとして注目されるようなフィールドに発展させられないか、自分の興味・技術の幅を広げながら、将来の方向性を模索しています。琵琶湖での発見から始まったこの研究で、世界を驚かせるユニークな発見ができれば面白いと思っています。
▲朝の洞爺湖
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▲琵琶湖の定期観測地点より（水深73 m）
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