2020/9/17菌類の隠れたネットワークが森の未来を形作るかもしれない
ELIZABETH PENNISI, WARREN CORNWALL
SCIENCE28 AUG 2020 : 1042-1043
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菌根菌(明るい灰色)が根細胞を貫通し、菌は炭素と交換に水と栄養素を供給する(電子顕微鏡写真) 植物の真菌のパートナーは、宿主が干ばつや熱に抵抗するのを助けたり、脆弱性を高めたりすることができる 世界の植物相の未来は、地上と同様、あるいはそれ以上に、地下にあるものに左右されるかもしれません。全植物の90%の下には、目に見えないサポートシステムが存在する。地下の菌類がフィラメントのネットワークを形成して植物をつなぎ、栄養と水を根に運んでいるのだ。その代わり、植物は菌類に炭素を安定的に供給している。現在、研究者たちは、この隠れたパートナーが、気候変動に対する生態系の対応を左右することを解明しつつある。 今月初めに開催されたEcological Society of Americaのオンライン年次総会で発表された研究によると、適切な菌類のパートナーは、植物が温暖で乾燥した環境で生き残るのに役立つという。しかし、今回発表された他の研究では、気候変動がこれらのいわゆる菌根菌を破壊し、宿主である植物の滅亡を早める可能性があることが示されました。ベルリン自由大学の生態学者であるマティアス・リリグは、「気候変動に対する菌根菌の反応を無視することはできないということが明らかになってきました」と語る。
菌根菌には2つの形態があります。アーバスキュラー菌根菌(AM)は、熱帯や温帯の森林、野原や草原に多く存在し、根の細胞に侵入して、菌糸と呼ばれる細い毛を土中に伸ばします。一方、外生菌根菌(EM)は、針葉樹をはじめ、カシ、ヒッコリー、ハンノキ、ブナなどに生息する。EM菌は、根の外側に定着し、その菌糸のネットワークが、湿った林床に出現するキノコの元となる。 いずれの菌も、リンなどの栄養分を吸収し、有機物を分解して窒素を取り込み、土壌中に炭素を蓄える働きがある。「ミネソタ大学ツインシティ校の土壌生態学者であるクリストファー・フェルナンデスは、「植物の生産性に重要な役割を果たす菌根組織は、陸域の生態系において最も重要な共生関係であると言えます。 気候変動によって、これらの共生関係が変化する可能性があるという。フェルナンデスは、B4WARMED(Boreal Forest Warming at an Ecotone in Danger)プロジェクトの一員として、北緯に広がる北方林への温暖化と乾燥の影響を監視する大規模な取り組みを行っている。この研究では、人工的に森林のプロットを温めたり乾燥させたりもしており、フェルナンデスはプロットの土壌や根のサンプルをシークエンスすることで、模擬的な気候変動が隠れた菌類に与える影響を調べました。
温暖化と乾燥が進むと、EM菌の多様性は低下し、「雑草」のようなEM菌が占めるようになったと、フェルナンデスは会議で報告した。この "雑草 "は、地下に広範なネットワークを構築することに多くのエネルギーを割かないため、その接続性が崩壊してしまうのです。もし、気候変動によって同じような混乱が起きれば、菌類との重要なパートナーシップを築く苗木の数が減り、木の栄養分が奪われる可能性があります。 B4WARMEDが実施したモニタリングでは、近年の温暖で乾燥した気候が北方林に打撃を与えていることがすでに明らかになっています。EM菌の変化がどのような役割を果たしているかはまだ明らかになっていないが、「気候変動に伴う菌根菌群集の変化は、非常に気になるところです」とフェルナンデスは言う。
カンタベリー大学の生態学者であるSarah Sapsfordは、「B4WARMEDの結果は、地上と地下の両方のコミュニティが将来的に大きく変化する可能性を示しています」と言う。と、カンタベリー大学の生態学者Sarah Sapsfordは言う。「現在見られるものは、二度と見られないかもしれません」。
別の生態系である米国南西部のパイヨンパインの森では、菌根の既存の変化が樹木の回復力に影響を与えることを示しています。数十年前、アリゾナ州のサンセット・クレーター火山国定公園の近くに生育していたパイヨン(Pinus edulis)の一部が、蛾の蔓延によって生育不良に陥った。被害を受けた木には、背の高い隣の木とは異なるEM菌が付着していたことから、この2種類の木は遺伝的に異なる可能性が考えられます。
2002年と2003年にこの地域を襲った大干ばつでは、背の高い木が2倍も枯れてしまった。そこで、北アリゾナ大学(フラッグスタッフ)の生態学者、キャサリン・ゲーリングらは、2種類の植物の苗に菌を植えたものと植えていないものを温室で育て、水の与え方を変えて違いを確かめた。
「その結果、外道菌が乾燥耐性に重要な役割を果たしていることがわかりました」とGehringは会議で報告した。ロスアラモス国立研究所の生物物理学者であるサナ・セバントは、トレーサーとなる重水を苗の根にかけ、菌の働きを観察した。その結果、乾燥に強い根に菌が感染していると、無菌状態の根よりもはるかに早く水が入ってきたとGehringは報告している。
彼女らは地元の研究者と協力して、サンセット・クレーターからほど近いナバホ族の地域で松の植え替えを行っており、学んだことを応用している。樹木の遺伝子の違いが、2種類のEM菌グループのどちらが定着するかを決定しているようなので、研究チームは、乾燥に強い菌を呼び込むために、適切な遺伝子タイプの苗を植えるように注意している。それが「干ばつ時の生死を分けることになるかもしれません」とGehringは言う。
3つ目の研究は、菌根が樹木だけでなく生態系全体の環境変化への対応を形成する可能性を示唆している。チューリッヒ工科大学の生態学者であるコリン・アヴリルは、AM菌とEM菌は異なる樹木の種と関連していることから、菌自体が特定の地域でどのような森林が生育するかを決定するのに役立っているのではないかと考えた。
以前の研究者たちは、菌類がその地域の森林を決定しているのではないかと考えていたが、Averillたちは、米国東部の6965の森林区画で、苗木よりも大きな木の種類、成長、枯死を追跡している米国森林局の膨大なデータから、その証拠を探した。その結果、多くの区画では、AM関連の樹木かEM関連の樹木のどちらかが優勢であり、この2つが混在していることは稀であることがわかった。
統計的に分析したところ、このように大きく分かれる原因は菌類にあることが判明した。それは、優勢な菌根が森林を安定した状態に保つのに役立つからだ。各区画の樹木を5年間隔で測定したところ、AMの樹木はEMの森林よりも少なくとも10倍以上根付きやすく、生き残る確率も2倍高いことがわかりました。一方、EMの木はEMの森の方が繁茂しやすかった。
菌類は、特定の種に有利になるように土壌を変化させることで、この独占を可能にしているのかもしれない。また、菌類のネットワークが確立されていれば、若い木が光合成を妨げるような日陰に耐えたり、古い木が乾燥や病気に耐えたりするのに役立つかもしれない。「EMの木であれば、EMのネットワークに接続することで、生き延びることができるのです」とAverill氏は言う。
それらの菌類を握っていると、気候変動などの外的圧力に対する森林の反応が鈍くなる可能性があるという。Averill氏によると、例えば、AM系列の樹木は高温下での生存率が高い傾向にあるが、気候が温暖化してEMが優勢な森林にコロニーを形成するのは予想以上に遅いかもしれないという。「今後、世界の森林システムがどのように変化していくのかを予測する上で、このようなダイナミクスが非常に重要になるかもしれません」。