土壌マイクロバイオームを操作して、農地における炭素貯留を促進できるか？

展望
土壌マイクロバイオームを操作して、農地における炭素貯留を促進できるか？

https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3002207

ノア・フィーラー、コリン・M・ウォルシュ
土壌の炭素貯留を促進する新たな戦略が必要である。これは、数十年にわたる農業活動によって土壌の炭素蓄積量が枯渇し、人間の直接的な介入によって土壌の炭素蓄積量を増加させる取り組みが最も実行可能である農地において、特に重要である。農地における土壌炭素の貯留率を高めれば、大気中の炭素濃度を低減できる可能性があるが、この潜在的な緩和戦略の規模については議論の余地がある[1,2]。同時に、土壌の健全性と生産性にとって土壌有機炭素濃度が広範に重要であることから、土壌炭素貯留の促進は、農業の持続可能性に直接的な利益をもたらす可能性がある[1,3]。したがって、農地における炭素貯留の促進は、地球規模での気候変動の緩和に貢献すると同時に、地域規模での食糧安全保障の改善にもつながる。
土壌の炭素貯留は、時間の経過とともに、炭素が土壌から流出する よりも早く土壌に蓄積されることで起こる。土地管理戦略（被覆作物など）や作物形質（根張りの深さなど）の操作など、農業システム [1,2]においてこのバランスを変化させるために利用できるアプローチは数多くあるが、土壌マイクロバイオーム（細菌、古細菌、真菌、ウイルス、原生生物など [4]）の組成を直接操作することによっても、土壌炭素貯留量を増加させることができる。この種のアプローチは、単独または他のアプローチと組み合わ せて使用されるが、微生物活動が土壌系における炭素の正味の流 れを大きく左右することを考えると、追求する価値がある。土壌微生物は、投入された有機炭素が生物化学的に、または鉱物表面との反応によって処理され、安定化する速度を制御している[5]。微生物はまた、土壌炭素プールを無機化から保護し、風食や水食による土壌表面からの粒子状有機炭素の損失を低減する安定した土壌凝集体の形成を促進することができる [6]。同時に、微生物は土壌有機炭素を、可溶性または気体状（特にCO2やCH4）で系外に排出できる炭素形態に変換する。
土壌炭素の動態は土壌微生物に強く影響されるため、特定の分類群や形質を好むように土壌マイクロバイオームを操作することで、土壌炭素の貯留を促進できる可能性がある。もちろん、それを効果的に行うことは容易ではない。土壌マイクロバイオームは複雑であり、ほとんどの土壌微生物が炭素動態に具体的にどのように寄与しているかは未解明である [4]。同様に、土壌炭素が時間と共に安定化し、土壌に保持されるプロセ スも複雑であり、時間と空間によって大きく変動する[5]。生物学的および生物学的相互作用は、予期せぬ形で結果を媒介することがある。一例を挙げると、ある土壌では有機炭素保持量を増加させる代謝産物を生産する微生物が、他の土壌では既存の有機炭素ストックの「呼び水」（すなわち、可溶性有機炭素の追加投入によって土壌有機物の微生物分解が促進される場合）によって有機炭素保持量を減少させることがある[7]。このように何層にも重なる複雑さにもかかわらず、土壌炭素貯留を促進するために土壌微生物群を操作する方法を特定することができる（図1）。
展開
図1. 土壌炭素貯留を促進するために土壌マイクロバイオームを操作する可能性のある方法。
土壌炭素貯留を促進するために土壌微生物叢を操作する6つの潜在的戦略と、そのアプローチを実施する際に考慮すべきいくつかの要因。これらの方略の有効性はほとんど未確定であり、どの方略が有用であるかは、問題となっている特定のシステムに強く依存する。Cは炭素、Nは窒素、Pはリン、VOCは揮発性有機化合物。BioRender.comで作成。
doi:10.1371/journal.pbio.3002207.g001
詳細 "
どのような微生物ベースの戦略が検討されているかに関わらず、これらの戦略を開発し、現場で実施し、その有効性を検証するためには、3つの主要なステップを踏む必要がある。最初のステップは、（図1またはその他のメカニズムによって）土壌の炭素貯留を促進する可能性のある微生物分類群または微生物形質を特定することである。これには、分類群に関する先験的な知識を利用したり、関心のある特定の形質をスクリーニングするアッセイ法を開発したり、多くの土壌マイクロバイオームの情報と、土壌の炭素貯留を促進する可能性のある微生物の属性に関する対応するデータを結合させた大規模データベースを利用したりする方法がある。例えば、メラニンに富む真菌の「ネクロマス」は比較的分解されにくく、長期間にわたって土壌中に保持されやすいと考えられているため[8]、ラボアッセイや栽培に依存しない調査を用いて、この生化学的形質を持つ特定の分類群を同定し、理解を深めることができる。
潜在的な分類群や形質が特定されたら、次のステップは、土壌微生物群をどのように変化させ、それらの存在量を増やすかを考えることである。これには、生きた微生物を土壌や種子に直接添加する方法が考えられる。しかし、この "プロバイオティクス "戦略は、目的の微生物を十分に増殖させる能力や、微生物を圃場にうまく定着させることの難しさによって制限されることが多い。別の方法として、「プレバイオティック」アプローチを用いることもできる。プレバイオティック基質を種子コーティングとして適用することで、植物の成長を促進する微生物を育てることができるように、対象とする分類群の生育を豊かにする特定の基質を土壌改良材として加えるのである。もうひとつのアプローチは、作物植物を選択して（あるいは工学的に）、植物とマイクロバイオームの相互作用（例えば、土壌の団粒化を促進する菌根共生）を最適化すること、あるいは組織や根の滲出液の化学的性質を、目標とする微生物分類群や形質に適したものにすることである。また、CRISPR遺伝子編集 [9] によって、既存の土壌微生物群集の形質を直接操作する機会もあるかもしれないが、この技術はまだ初期段階にある。ほとんどの土壌微生物分類群が未解析のままであるため、関連する分類群や形質を特定することは容易ではなく [4]、どの特定の微生物形質が土壌の炭素貯留を促進する可能性が最も高いかは必ずしもわかっておらず、現場で望ましい結果を維持するために微生物群集を一貫して操作する方法についてはさらにわかっていない。
土壌微生物群をどのように変化させるかにかかわらず、最終的なステップは、微生物群の操作が実際に土壌炭素貯留率の一貫した増加につながることを確認することである。土壌炭素蓄積量は空間的に不均質であることが多く、同じ圃場内であっても、土壌炭素プール全体の変化が明らかになるまでには数十年を要することがあるため、土壌炭素蓄積量を正確に測定またはモデル化することは容易ではない。さらに、世界中の農地が気候変動の影響に直面しており、炭素貯留戦略の長期的な有効性を検証する際には、気温や降水体系の変化も考慮に入れる必要がある。
土壌微生物群の操作によって土壌の炭素貯留量を増加させることができると主張する場合は、圃場に関連した条件下で土壌の炭素貯留率の長期的変化を定量化することに伴う課題を考慮し、十分な懐疑心を持って検討すべきである。理路整然とした仮説や期待であっても、土壌システムの複雑な現実との遭遇には耐えられないかもしれない。最終的に失敗に終わる戦略を実施することで時間と資金を浪費するリスクだけでなく、マイクロバイオーム操作によって、作物の収量が減少したり、侵入性の分類群が増殖して生態系の健全性に影響を及ぼす可能性があるなど、予期せぬ望ましくない結果を招くリスクもある。微生物を利用した新たな土壌炭素隔離戦略を開発する動機は十分にあり、私たちが自由に使えるツールによって、その実現性は高まっているが、そのような戦略は、広く実施される前に慎重に吟味される必要がある。
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