MITとウッズホール海洋研究所（WHOI）の研究者らは、特定の栄養バランスの乱れからサンゴを守る助けになる可能性のある微生物を特定しました。
これらの微生物は、サンゴの周囲から窒素を取り込み「取り除く」ことができる、ぬめり状のバイオフィルムを持っています。
過剰な窒素を取り込むことで、これらの微生物は藻類との競争を防ぎ、そこに生息するサンゴを守る可能性があります。
サンゴは数千年をかけて、栄養分の少ない海水の中で生き、さらには繁栄するように進化してきました。健全な岩礁では、サンゴがわずかな資源を最適に利用する方法を見つけているため、水はしばしば非常に澄んでいます。こうした条件に変化が生じると、サンゴの健康のバランスが崩れる可能性があります。
今回、MITとウッズホール海洋研究所（WHOI）の研究者らは、キューバの海洋学者および海洋生物学者と協力し、一部のサンゴ種のぬめり状のバイオフィルム内に生息する微生物を特定しました。これらの微生物は、特定の栄養バランスの乱れからサンゴを守る助けとなる可能性があります。
研究チームは、これらの微生物がサンゴの周囲から窒素を取り込み「取り除く」ことができることを発見しました。低濃度では、窒素はサンゴが成長するためのエネルギーを供給する必須の栄養素となります。しかし、例えば窒素を多く含む肥料が海に流れ出すことなどによって窒素が過剰になると、藻類のマットが大量発生する可能性があります。藻類はサンゴと資源を奪い合い、礁を強いストレスにさらし、色を失わせて白化させてしまいます。
過剰な窒素を取り込むことで、新たに特定されたこれらの微生物は藻類との競争を防ぎ、そこに生息するサンゴを守る小さな保護者として機能する可能性があります。世界各地のサンゴは地球温暖化による広範なストレスや白化に見舞われていますが、一部の種は窒素に関連する他のストレス源から身を守る方法を見つけているようです。
「サンゴと共生するこれらの生物を発見することの一側面は、少なくとも窒素の利用可能性の点で、サンゴが人為的な影響に対抗できる自然な方法があるということであり、それは非常に良いことです」と、MITの地球・大気・惑星科学部のドハティ海洋資源利用助教授であるアンドリュー・バビン氏は述べています。「これは、少なくともある程度において、礁が自らを守ることができる非常に自然な方法になり得ます」
バビン氏と同僚らは、MITの大学院生であるダイアナ・ドゥミット氏、タイラー・タマシ氏、ローラ・ウェーバー氏、サラ・シュワルツ氏を含め、研究成果を報告しました ISME Journal誌に。
デッドゾーンの類似環境
バビン氏のグループは、海洋の生物群集が生命にとって重要な元素である窒素をどのように循環させているかを研究しています。海洋中の窒素はアンモニア、亜硝酸塩、硝酸塩など、さまざまな形態をとることができます。バビン氏は特に、「デッドゾーン」とも呼ばれる、魚がほとんど見られず微生物が繁殖できる低酸素域である無酸素環境において、窒素がどのように循環し、あるいは取り込まれるかを研究することに関心を持ってきました。
「魚にとって酸素が不足している場所では、細菌が従来とは異なる働きを始めます。それが私たちにとって興味深いところです」とバビン氏は述べています。「例えば、硝酸塩を消費し始めることがあり、それが水域の特定の部分の生産性に影響を与えるのです」
海洋の無酸素域は、デッドゾーンだけではありません。細菌が窒素を貪る行動を示すのは、そうした場所に限られません。難破船の船体から サンゴ礁まで、海洋表面を覆う微生物に富んだぬめりであるバイオフィルムの内部など、より小規模な範囲にも低酸素環境が存在します。
「私たちの体内にもバイオフィルムがあり、さまざまな嫌気性プロセスを可能にしています」とバビン氏は指摘しています。「サンゴにも同じことが言えます。サンゴは大量の粘液を生成でき、それが酸素に対する遅延バリアとして働くのです」
サンゴは海面近くにあり、酸素に手が届く位置にあるにもかかわらず、バビン氏はサンゴのぬめりが「無酸素ポケット」、すなわち低酸素が集中した領域の形成を促し、硝酸塩を消費する細菌が繁殖するのではないかと考えました。
同氏はこの考えをWHOIの海洋微生物学者であるエイミー・アプリル氏に打ち明けました。2017年、研究者らは科学チームとともにキューバへの航海に出発しました。アプリル氏は、保護された国立公園であるハーディネス・デ・ラ・レイナ（女王の庭園）でサンゴの研究を計画していました。
「この保護区は、健全なカリブ海のサンゴにとって最後の避難場所の一つです」とバビン氏は述べています。「私たちの目的は、影響の少ないこれらの地域の一つを調査し、サンゴ自体に関連する窒素循環の動態の基準を把握することでした。それにより、人為的な撹乱がそのシステムに何をもたらすかを理解できるようになります」
ぬぐい取りによるスクラバーの採取
礁を調査する中で、科学者らは同地域に豊富に生息するサンゴ種から小さな試料を採取しました。船上では、各サンゴ標本をそれぞれの海水とともに、海水中に自然に存在する分子のわずかに重い版である窒素のトレーサーと一緒に培養しました。
試料をケンブリッジに持ち帰り、質量分析計で分析して、窒素分子のバランスが時間とともにどのように変化したかを測定しました。試料中で消費または生成された分子の種類に応じて、研究者らは窒素が還元され、実質的に脱窒されたか、あるいは他の代謝プロセスによって増加した速度を推定することができました。
ほぼすべてのサンゴ試料で、脱窒の速度は他のほとんどのプロセスよりも高いことが観察されました。サンゴ自体の何かがその分子を取り込んでいた可能性が高いと考えられます。
研究者らは各サンゴの表面をぬぐい取り、ぬめり状の試料をペトリ皿で培養しました。その上で、窒素を代謝することが知られている特定の細菌を調べました。この分析により、複数の窒素を取り除く細菌が確認され、それらはほとんどのサンゴ試料に生息していました。
「これらの結果は、サンゴと共生するこれらの生物が、非常に局所的な環境を浄化する方法を持っていることを示唆しています」とバビン氏は述べています。「脳サンゴのように、特定のサンゴ種は非常に急速な窒素循環を示し、人為的な変化を経ても非常に丈夫であることがあります。一方、カリブ海全域で状態の悪いアクロポラ属は、窒素循環がほとんど見られません」ディプロリア属は、アクロポラ属。
窒素を取り除く微生物がサンゴの健康に直接寄与しているかどうかは、まだ明らかではありません。今回のチームの結果は、そのような関連を示す最初の証拠です。今後、バビン氏は熱帯太平洋など海洋の他の地域を調査し、同様の微生物が他のサンゴにも存在するかどうか、また細菌が宿主の保全にどの程度役立っているかを確認する計画です。同氏の推測では、その役割は私たち自身の体内システムにおける微生物の役割と似ているとのことです。
「ヒトの微生物叢を調べれば調べるほど、私たちと共生している生物が私たちの健康を左右していることがわかってきます」とバビン氏は述べています。「サンゴ礁にもまったく同じことが言えます。サンゴのシステムの健全性を決定づけているのはサンゴの微生物叢です。私たちが明らかにしようとしているのは、サンゴのシステム内のこの微生物ネットワークの一部としてどのような代謝が関わっているのか、ということです」
本研究は、一部、MIT Sea Grant、サイモンズ財団、MIT Montrym、Ferry、mTerraの各基金、およびBruce Heflinger ’69、SM ’71、PhD ’80の支援を受けました。
