海洋環境DNAを用いた黒潮域における微生物群集の解明　―微生物の群集構造や分布パターンから探る生態系構造―

2025年11月28日

東京大学

研究成果

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発表のポイント

◆原核生物群集は、主に水塊の物理環境や植物プランクトン由来の物質の影響を受けて変化することを示しました。
◆生物間相互作用のある原核生物・真核微生物群集は似た分布を示すが、一部の真核微生物群集は局所的なブルームを形成して微生物食物網を変化させることが示唆されました。
◆漁業生産の場として重要な黒潮生態系の構造や機能の解明への貢献が期待されます。

調査海域と本研究のイメージ

概要

東京大学大気海洋研究所の菅井洋太特任研究員、吉澤晋准教授、香港科技大学海洋学科の潮雅之助理教授らを中心とする研究チームは、海水中の環境DNA（注1）のメタバーコーディング解析（注2）により黒潮域における原核生物（注3）と真核微生物（注4）を分類群横断的に調査し、両者の群集構造の変動要因や時空間的な分布パターンを報告しました。

海洋には、バクテリアから植物・動物プランクトンまで分類的・生態的に極めて多様な微生物が生息しており、魚類などの高次の生物にエネルギーをつなぐことで“海の食物網”の基盤を支えています。本研究では、黒潮域の表層で採取した環境DNAサンプルから原核生物と真核微生物の群集を同時に解析し、海洋の原核生物と真核微生物では群集構造に影響する環境要因や分布が異なることを明らかにしました。この成果は、海の食物網の最下層を担い、海洋生態系を支える微生物群集の生物間の関係や役割を理解する手がかりになり、特に魚類の産卵・生育場として重要な黒潮生態系の構造や機能の解明に貢献することが期待されます。

発表内容

微生物群集の構造や分布およびそれらに影響を与える要因を理解することは、海洋における微生物の機能や役割を解明する上で重要です。これまで、海洋の原核生物と真核微生物ではサンプリング・解析方法が異なることが多く、データセットの時空間的な解像度の面から、両者の群集構造や分布の比較が困難でした。しかし、最近では同一の海水サンプルを用いて生物を網羅的に検出する環境DNAのメタバーコーディング解析により、特定の分類群や栄養段階に限定されることなく、微生物群集を調べることができます。本研究では、白鳳丸（KH-22-5、2022年春季）と新青丸（KS-22-15、2022年秋季）の研究航海で黒潮亜熱帯域の表層（深度10–150m）から採取した環境DNAサンプルを用いて、海洋における原核生物と真核微生物の群集構造に環境要因が与える影響や分布パターンの違いを明らかにしました。

原核生物の群集構造は主に季節と深度で異なっていることがわかりました（図1A–B）。真核微生物では、季節や深度に関係なく多くのサンプルで寄生性の分類群を含む多様な渦鞭毛藻類が優占していましたが、時空間的に異なるサンプルで圧倒的に優占していた群集（ウミタル類を含む被嚢類など）がいることも明らかになりました（図1C–D）。

図1. 原核生物（A–B）と真核微生物（C–D）の群集構造

nMDS解析（注5）により、サンプル間の類似度をもとに群集構造が似ているサンプルをグループ化し（A, C, サンプルのラベルは調査地点を表す）、各グループの群集（目レベル）の相対存在量を示した（B, D）。

環境要因が微生物の群集構造に与える影響を評価した結果、原核生物の群集構造の変動の大部分は水温やクロロフィルa濃度などの環境要因で説明され（図2A）、水塊の物理環境や植物プランクトン由来の物質の供給が主に原核生物群集を決定することが示唆されました。一方、真核微生物ではほとんどの変動がそれらの環境要因では説明できず（図2B）、真核微生物の群集構造は生物間の関係（例えば寄生関係）などにより形成されることが考えられました。

図2. 原核生物（A）と真核微生物（B）の群集構造の変動と環境要因の関係

dbRDA解析（注6）により、軸の寄与率（%）で環境要因によって説明される群集構造の変動の割合、円の中のベクトルで環境要因と各軸の関係を示した。各点はサンプルを表す。

原核生物・真核微生物群集の分布パターンを比較したところ（図3）、原核生物群集は、共生・補食関係が想定される渦鞭毛藻類などの真核微生物群集と比較的似た分布を示し、これらの群集はほとんどのサンプルに存在することがわかりました。一方、ウミタル類などの従属栄養性の真核微生物群集は大きく異なる分布を示し、各群集で独特な好適環境において出現・優占することが示唆されました。これらの分布パターンの違いから、前者は生態系の安定な構造を維持し、後者は微生物食物網の構造を局所的に変化させるという海洋生態系における異なる役割が考えられました。

図3. 原核生物群集（青字）と真核微生物群集（赤字）の分布パターンの比較

分類群間の類似度をもとにnMDS解析を行った。各シンボルは分類群を表す。

以上のように、本研究では、海洋環境DNAのメタバーコーディング解析により様々な分類群や栄養段階に属する海洋微生物群集の時空間的に不均一な構造や分布を捉えることもできました。本研究の成果は、魚類の産卵・生育場として重要な黒潮域および海洋における生態系の構造や機能の解明に貢献することが期待されます。

〇 関連情報
黒潮が輸送する有毒渦鞭毛藻 ―外洋域における渦鞭毛藻の多様性と生物地理―（2024/12/25）
https://www.aori.u-tokyo.ac.jp/research/topics/2024/20240517.html

黒潮の環境DNAから青魚の分布特性を探る（2023/06/01）
https://www.aori.u-tokyo.ac.jp/research/news/2023/20230601.html

発表者・研究者情報

東京大学
　大気海洋研究所
　　菅井　洋太　特任研究員
　　平井　惇也　講師
　　福田　秀樹　准教授
　　齊藤　宏明　教授
　　濵﨑　恒二　教授
　　兵藤　晋　教授
　大学院新領域創成科学研究科 / 大気海洋研究所
　　藤原　敬允　研究当時：博士課程 / 日本学術振興会 特別研究員
　　　現：日本学術振興会 海外特別研究員（オックスフォード大学 工学部）
　　高田　真子　博士課程 / 日本学術振興会 特別研究員
　　森　香穂　博士課程
　　吉澤　晋　准教授

香港科技大学
　海洋学科
　　潮　雅之　助理教授

海洋研究開発機構
　超先鋭研究開発部門
　変動海洋エコシステム高等研究所
　　長谷川　万純　ポストドクトラル研究員

論文情報

雑誌名：Frontiers in Marine Science
題　名：Different Structuring Factors and Distribution Patterns of Marine Prokaryotic and Eukaryotic Communities in the Subtropical Kuroshio Region
著者名：Youta Sugai *, Masayuki Ushio, Junya Hirai, Masumi Hasegawa-Takano, Takayoshi Fujiwara, Mako Takada, Kaho Mori, Hideki Fukuda, Hiroaki Saito, Koji Hamasaki, Susumu Hyodo, Susumu Yoshizawa（* 筆頭著者・責任著者）
DOI: 10.3389/fmars.2025.1656531/
URL:  https://www.frontiersin.org/journals/marine-science/articles/10.3389/fmars.2025.1656531/

研究助成

本研究は、東京大学 FSI「オーシャンDNAプロジェクト」、東京大学 大気海洋研究所「学際連携研究」、「研究船共同利用(白鳳丸 JURCAOSSHN21-05, 新青丸 JURCAOSS22-21)」、日本学術振興会「二国間交流事業（JPJSBP120217403）」、「科研費 基盤研究（A）（22H00557）」の支援を受けて実施されました。

用語解説

（注1）環境DNA

生物（本研究では微生物を含む）に由来する環境中のDNA。
海水中の環境DNA（海洋環境DNA）を調べることで、その海水に存在した生物を特定できる。

（注2）メタバーコーディング解析

目的とする遺伝子領域のPCR増幅とシーケンシングにより得られる塩基配列をデータベースと照らし合わせ、生物を網羅的に検出する解析。

（注3）原核生物

バクテリアとアーキアのように、細胞内に核をもたない生物。

（注4）真核微生物

渦鞭毛藻類などの植物プランクトンやウミタル類などの動物プランクトンのように、細胞内に核をもつ微生物。

（注5）nMDS（Non-metric multidimensional scaling）解析

微生物の群集構造などの多変量データを類似度をもとに2–3次元の図で視覚化する多変量解析。
本研究では、微生物の群集構造が似ているサンプルまたは分布パターンが似ている分類群ほど近くに配置される。

（注6）dbRDA（Distance-based redundancy analysis）解析

目的変数（多変量データ）を説明変数の重回帰分析により説明する多変量解析。
本研究では、微生物の群集構造のサンプル間の類似度を目的変数、環境要因を説明変数にした。

問い合わせ先

東京大学 大気海洋研究所
特任研究員 菅井 洋太（すがい ようた）
E-mail: ysugai◎aori.u-tokyo.ac.jp

東京大学 大学院新領域創成科学研究科 / 大気海洋研究所
准教授 吉澤 晋（よしざわ すすむ）
E-mail: yoshizawa◎aori.u-tokyo.ac.j

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