根粒菌マメ科共生の仕組みと窒素固定で土壌改良する農業の効果

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根粒菌とマメ科の共生

根粒菌とマメ科の共生

根粒菌は、マメ科なら何でも同じものを使えるわけではありません。作物に適合する接種剤を選び、播種直前の処理と保管条件を守ります。効果は根粒の数だけで決めず、掘り取って内部色と生育、排水、施肥履歴を確認します。また、豆を収穫する栽培と緑肥をすき込む栽培では、後作へ戻る窒素が異なります。作物別接種剤、観察方法、緑肥の後作利用。
農業の現場において、土壌の肥沃度を維持しつつコストを削減することは永続的な課題です。その解決策の一つとして古くから知られているのが「根粒菌」と「マメ科植物」の共生関係です。しかし、単に「マメを植えれば土が良くなる」という漠然とした理解ではなく、ミクロな視点で何が起きているのかを深く理解することで、より効果的な栽培管理が可能になります。

根粒菌は複数の属にまたがる共生細菌で、、土壌中に生息するバクテリアの一種であり、特定のマメ科植物の根に侵入して「根粒」というコブ状の器官を形成します。このコブの中で行われる生命活動こそが、農業にとって極めて重要な「窒素固定」です。通常、植物は空気中に約78%も存在する窒素ガスを直接利用することはできません。窒素は三重結合という非常に強固な結合で結ばれているため、植物が吸収できる形（アンモニアや硝酸）に変換するには莫大なエネルギーが必要だからです。

参考リンク：根粒菌とマメ科植物の共生窒素固定における分子遺伝学的アプローチ（植物側の制御メカニズムについて詳述）
参考）https://www.semanticscholar.org/paper/576454fec5797706c2683dbb68075fbd67290d91

根粒菌はこの強固な窒素分子を破壊し、アンモニアに変換する酵素「ニトロゲナーゼ」を持っています。マメ科植物は、光合成で得た糖分（エネルギー）を根粒菌に提供し、その見返りとして根粒菌が固定した窒素を受け取ります。この「炭素と窒素の交換取引」こそが共生の基本です。農業従事者がこのメカニズムを最大限に利用するためには、適切な土壌環境と菌の活性化条件を整える必要があります。例えば、土壌中の窒素分が過剰にある場合、植物は「コストのかかる共生」を止め、根粒形成を抑制してしまうという特性も知っておくべき重要なポイントです。

根粒菌の窒素固定の仕組みとマメ科植物の成長

根粒があることと、十分な窒素を固定していることは同じではありません。マメ科植物は光合成産物を根粒へ送り、根粒菌は大気中の窒素を植物が利用できる形へ変えますが、根粒には形成途中、活動中、老化したものがあります。根粒数と内部色はその時点の働きを調べる手掛かりで、作期全体の固定量をkg N/10aで測った値ではありません。根粒共生の仕組み、数と色による評価の限界。
ダイズの観察時期の例として、Penn State Extensionは播種約5〜6週間後を挙げています。これは根粒が発達した段階を調べるためのダイズ向け目安です。早過ぎる調査の白い根粒を、直ちに接種失敗と決めないでください。ダイズ根粒の調査時期と方法。

圃場内の生育良好部と不良部を分け、播種日、生育段階、雨後の滞水、施肥履歴を記録して複数地点を比較します。
茎を引っ張らず、スコップで周囲の土ごと掘り取ります。引き抜くと根や根粒がちぎれ、少なく見積もる原因になります。
根を水に浸して土を静かに落とし、主根・側根それぞれの根粒の位置、大きさ、数を記録します。
複数の根粒を切り、内部を見ます。ピンク〜赤はレグヘモグロビンを伴う活動の目安です。白は未熟の場合があり、同資料は1週間後の再調査を勧めています。軟らかく褐変したものは固定していません。
色だけで必要な追肥量を決めず、葉色、生育、土壌水分、施肥・接種履歴と照合します。根粒の位置は記録しますが、位置だけで接種菌の菌株や固定能力を確定しません。

掘り取り・洗浄・内部色・再調査の原手順。乾燥や老化も働きを低下させるため、白・緑・褐色をすべて『能力の低い菌が入った証拠』と説明するのは不適切です。乾燥と根粒老化の事例。

根粒菌による土壌肥沃化と減肥の効果

マメを作った後の窒素は、『作物が固定した量』から直接決まりません。豆を収穫すれば子実中の窒素が圃場外へ持ち出されます。米国デラウェア大学の例では、ダイズ40bushel/acreの子実収量に対する持ち出しは138lb N/acreと推定されています。これは米国の収量条件付きの例ですが、固定された窒素がすべて土に残るわけではないことを示します。ダイズの窒素収支と子実持ち出し。

利用方法	圃場へ戻るもの	後作の判断
豆を収穫する	根、根粒、残した茎葉。子実と持ち出した茎葉の窒素は戻らない。	根粒の多さや固定量を、そのまま後作の減肥量にしない。
マメ科緑肥をすき込む	すき込んだ茎葉・根に含まれる窒素。有機物の分解後に供給される。	生育量、窒素含量、分解時期、後作の吸収と施肥体系を合わせて減肥を設計する。

緑肥の具体例は、農研機構のヘアリーベッチ利用事例で確認できます。2018年の秋田県にかほ市のキャベツ試験では、地上部に12.6kg N/10aを含むベッチをすき込み、化学肥料の三要素を30%減らしても慣行並みの収量を確保しました。普通灰色低地土、可給態窒素7.1mg/100gの圃場で、基肥は窒素25.0から17.5kg N/10aへ減らし、定植まで10〜14日の腐熟期間を置いた例です。緑肥利用マニュアル第7章、50〜51ページ。
一方、同マニュアルの山梨県のスイートコーン例は、淡色黒ボク土・pH6.7で、開花前のベッチに18.7kg N/10aが含まれ、基肥と追肥を合わせた窒素施肥を25から12.5kg N/10aへ減らす体系です。すき込みから播種まで28日以上置き、短い場合には発芽不良が起こるとしています。秋田の待機日数や減肥率を山梨の例へ上書きせず、それぞれの作型を一組で使います。同章、56〜57ページ。

すき込み前に作物名、生育段階、生育量を確認し、可能なら乾物量と窒素含量から還元する窒素量を把握します。
その窒素量を全量即効性肥料とは扱いません。同マニュアルはベッチ由来窒素の後作吸収率20〜30%を考慮しますが、この割合と肥料削減率も同じではありません。
地域・後作の実証に合わせて基肥を調整し、必要な腐熟期間を確保します。
無減肥区と減肥区を小区画で比較し、後作の生育、品質、収量を記録します。

緑肥中の窒素には土から吸収した分も含まれるため、窒素含量を全量『新たに空気から固定した量』とは呼びません。また、窒素固定と有機物投入による土づくりは別の作用です。根粒菌がリン酸やカリを新たに作るわけではなく、これらは土壌診断と作物別基準で別に管理します。緑肥の養分供給・土づくり・減肥の区別。

根粒菌の宿主特異性と接種剤の選び方

接種剤は『マメ科用』という大きなくくりではなく、栽培する作物への適合を確認して選びます。十勝農協連の『まめぞう』でも、大豆用、小豆用、菜豆用、高級菜豆用、えん豆用、落花生用、そら豆用と、クローバ用、アルファルファ用、レンゲ用が分かれています。大豆用をレンゲへ流用するような選び方はしません。製品の作物別区分。
同じ作物なら全菌株でよいとも限りません。日本農芸化学会の解説には、ダイズのRj2遺伝子型がBradyrhizobium diazoefficiens USDA122などと共生不全になる例があります。作物と菌の関係は属名だけでは決まらず、品種と菌株の組み合わせも関わります。一般栽培では遺伝子型を自己判定するのではなく、作物名・品種名を供給元へ伝え、適用と地域の使用実績を確認します。宿主特異性とダイズの不和合性の実例。

作物名と品種名、初作か継続栽培か、土壌と排水の状態を整理します。
接種剤の対象作物、容量区分、期限、保管条件、種子処理剤との適合を確認します。
接種後は無接種の比較区を設けられる範囲で残し、根粒の観察と収量を別々に記録します。

『まめぞう』の公開値も指標を分けて読む必要があります。平成13年の大豆圃場試験では、無接種を100とした子実収量指数が3試験で106、103、103、平均104でした。一方、根粒数121という表示は、従来品100に対するアゾスピリラム菌添加品の殺菌土ポット試験です。根粒数21%増を窒素固定量21%増や圃場収量21%増へ読み替えたり、収量指数104をすべての圃場の保証値にしたりしません。試験条件と評価指標。

関連用語・資料：ピートモス／コート種子／宿主特異性がもたらす根粒共生の多様性

根粒の働きが弱いときの排水・窒素・接種の点検

根粒が働かない原因を、すぐに『菌の裏切り』や『植物の制裁の誤作動』へ結び付けないでください。圃場で先に確かめられるのは、水分、根の状態、窒素施肥、接種剤の扱いです。根粒数や色だけでは低活性の原因を確定できません。根粒観察と黄化原因の切り分け。
窒素を増やせば共生も強まる、という考えには反例があります。米国デラウェア州Georgetownの2014年試験では、播種時に尿素で窒素100lb/acreを施すと、無窒素区よりダイズの根粒形成が大きく減りました。これは推奨施肥量ではなく、土の窒素が多いと根粒形成を抑える失敗例です。根粒ができても、追加した窒素の存在下では固定が不活発な場合があると同資料は説明しています。窒素施用で根粒形成が減った比較。
黄化への窒素追加も万能ではありません。Iowa State Universityが紹介する2005〜2006年の5地点試験では、R2〜R3期の葉面窒素施用は増収1地点、無反応2地点、減収2地点で、葉焼けも発生しました。この試験は明瞭な窒素欠乏や干ばつがない条件であり、あらゆる欠乏株に追肥不要とする根拠ではありませんが、『黄化したら同じ追肥で回復』という処方にはできません。まず排水・乾燥と根粒を調べ、欠乏が疑われる場合に地域の作物別指導へつなげます。試験条件と反応の違い。

農業現場での効果的な根粒菌の接種と活用

接種は、適合する菌を、生きた状態で、発芽する種子の近くへ届ける作業です。実在製品『まめぞう』を例にすると、供給元の指定は冷暗所保管、有効期限確認、播種直前使用です。すべての接種剤に共通する『冷蔵5〜10℃』という温度指定へ置き換えません。供給元の保管・使用条件。

播種前に対象作物用の製品を選び、手元の袋の期限、面積または種子量当たり使用量を確認します。高温になる車内や直射日光下に置かず、冷暗所で保管します。
種子消毒済みか、使う薬剤は何かを確認します。薬剤によって接種効率が下がる場合があるため、薬剤名を示して接種剤側・薬剤側の適合を確認します。種子処理剤との組み合わせ。
レンゲ用『まめぞう』の販売者掲載例は200g/10aです。掲載された手順は、種子に種子消毒剤をよく混ぜ、次にまめぞうを加えてよく混ぜ、播種する順序です。ただし全薬剤との適合を保証する説明ではなく、消毒済み種子へ薬剤を再処理する指示でもありません。掲載ロットは期限経過品のため、実際には有効期限内の製品表示を使います。レンゲ用の使用量・混和順序。
供給元指定の播種直前に、その作業で播ける分を処理し、処理後は速やかに播種します。確認できない加水量や翌日までの保存可能時間を独自に設けません。
播種日、製品とロット、使用量、種子処理剤、保管状況を記録し、ダイズでは前節の時期・方法で根粒を調べます。

接種後の状態	確かめること	管理の見直し
雨後の低い場所だけ生育不良	滞水、締固め、根の状態。過湿や酸素不足は根粒の失敗要因。	表面排水と排水路を点検し、次作前に圃場に合う排水対策を行う。接種量増加だけで解決しない。
初期の根粒内部が白い	播種日と生育段階。未熟の可能性。	ダイズの上記観察法では1週間後に再調査し、赤色化と生育を確認する。
多肥区で根粒が少ない	元肥、堆肥、前作残効を含む窒素投入履歴。	少ない根粒を見て直ちに窒素を上乗せせず、地域基準と照合する。
乾燥後に黄化が続く	土壌水分、内部が褐変した根粒、莢・子実の生育段階。	降雨だけで老化根粒が再活性化すると期待せず、水分と欠乏を分けて評価する。