リゾビウム根粒菌で窒素固定と農業コスト削減を実現

リゾビウム根粒菌の窒素固定と共生

種子消毒したダイズに根粒菌を接種しても8割が死滅する

リゾビウム属根粒菌の基本と窒素固定メカニズム

リゾビウム属は、マメ科植物の根に共生する根粒菌の中で最も一般的なグループです。この細菌は、グラム陰性の非芽胞形成好気性桿菌で、土壌に広く分布しています。マメ科植物の根から放出されるフラボノイドという化学物質に引き寄せられ、根毛に感染して感染糸を形成し、根の皮層細胞へと侵入していきます。

根の中に侵入したリゾビウム属根粒菌は、植物が形成した根粒という器官の中で「バクテロイド」と呼ばれる特殊な形態に変化します。このバクテロイドがニトロゲナーゼという酵素を使って窒素固定を実行するのです。大気の78％を占める窒素分子（N2）は、そのままでは植物が利用できません。ニトロゲナーゼは、この窒素分子をアンモニア（NH3）に変換する反応を触媒します。

窒素固定反応には大量のエネルギーが必要です。実際、化学肥料工場でアンモニアを合成する際には1000気圧の超高圧と500℃の高温という莫大なエネルギーを費やします。つまり根粒菌が常温常圧で実現している窒素固定は、極めて効率的な生物学的プロセスなのです。

ニトロゲナーゼは酸素に極めて弱い性質を持っています。酸素に触れるとすぐに失活してしまうため、根粒の中では「レグヘモグロビン」という特殊なヘモグロビンが存在し、酸素濃度を適切に調整しています。レグヘモグロビンは酸素を結合して根粒内の酸素濃度を低く保ちながら、根粒菌の呼吸に必要な酸素だけを供給するという巧妙な仕組みを作り出しています。根粒を切断すると内部が赤く見えるのは、このレグヘモグロビンの色です。

秋田県立大学の根粒菌の仕組みに関する解説

固定された窒素は、植物にとって重要な栄養源となります。植物は光合成で作った炭水化物を根粒菌に提供し、代わりに窒素を受け取るという相利共生の関係を築いているのです。

相利共生が基本です。

リゾビウム根粒菌の宿主特異性と品種相性

リゾビウム属をはじめとする根粒菌には、「宿主特異性」という極めて重要な性質があります。これは特定の根粒菌が特定のマメ科植物としか共生できないという現象で、一部の例外を除いて厳密に支配されています。例えば、ダイズに共生する根粒菌の多くはブラディリゾビウム・ジャポニカム（Bradyrhizobium japonicum）という種に属し、クローバーや他のマメ科植物とは共生できません。

この宿主特異性は、植物と根粒菌の双方が持つ特定の分子による相互認識によって決定されます。植物が分泌するフラボノイドの種類と、根粒菌が生産するNod因子（結節因子）という特殊なシグナル分子の構造が一致しなければ、共生関係は成立しません。どういうことでしょうか？

植物の根から放出されるフラボノイドは、根粒菌のnod遺伝子群を活性化します。活性化された根粒菌はNod因子を合成して植物に送り、これを受け取った植物は根粒形成のプログラムを開始します。ところが、Nod因子の糖鎖構造や修飾パターンは根粒菌の種類によって異なり、植物側もそれに対応する特異的な受容体を持っているため、適合しない組み合わせでは共生が進まないのです。

さらに興味深いのは、同じダイズという作物の中でも品種によって特定の根粒菌株と共生できないケースが報告されていることです。これは「共生不和合」と呼ばれる現象で、品種改良の過程で遺伝的に獲得された性質と考えられています。特定のダイズ品種は、ある根粒菌株の感染を認識して拒絶する防御機構を持っており、根粒形成が阻害されてしまいます。

宿主特異性がもたらす根粒共生の多様性に関する詳しい解説

この宿主特異性を理解せずに根粒菌を接種すると、期待した窒素固定効果が得られない可能性があります。ダイズ栽培では、使用する品種に適合した根粒菌株を選ぶことが不可欠です。

相性を確認することが条件です。

リゾビウム根粒菌の接種方法とR加工種子の活用

日本のダイズ栽培では、根粒菌の接種処理として「R加工（リゾビウム加工）」という方法が広く普及しています。R加工とは、播種前に豆類種子に根粒菌を接種処理する技術で、特に十勝地域などの主要産地では2000年以降、種子生産段階で標準的に実施されています。

R加工種子のメリットは、農家が播種時に根粒菌資材を接種する手間を省けることです。種子調製施設で専門的に処理されるため、接種菌量が均一で品質が安定しています。接種された根粒菌は、窒素固定能力が高く、使用する品種との相性も確認された優良株が選抜されているため、安定した効果が期待できます。

ただし、R加工種子には適切な取り扱いが必要です。根粒菌は生きた微生物であるため、高温や乾燥に弱く、保管条件が悪いと死滅してしまいます。冷暗所での保管が基本で、特に夏場の高温期には注意が必要です。また、根粒菌には有効期限があり、期限を過ぎると菌の活性が低下するため、必ず期限内に使用しなければなりません。

種子消毒との併用には特別な注意が必要です。チウラムなどの殺菌剤は、病原菌だけでなく根粒菌も殺してしまう可能性があります。このため、種子消毒を行う場合は、必ず播種直前に実施し、その後に根粒菌を接種するか、消毒後の種子を完全に乾燥させてから根粒菌を紛衣する必要があります。殺菌剤と根粒菌を同時に混ぜることは厳禁です。

R加工種子を使わない場合は、「まめぞう」などの市販の根粒菌資材を購入して自分で接種できます。粉末状の根粒菌資材を種子にまぶす方法が一般的で、10アール分の種子に対して1袋を使用します。播種直前に処理を行い、処理後はできるだけ早く播種することで、根粒菌の生存率を高めることができます。

十勝農業協同組合連合会のR加工に関する情報

R加工は手間の削減だけでなく、初期生育の安定化にもつながります。根粒形成が早く始まることで、窒素固定による窒素供給が早期から機能し、ダイズの生育がスムーズに進行するのです。

効果が原則です。

リゾビウム根粒菌の土壌中の挙動と在来菌との競合

圃場の土壌には、もともと在来の根粒菌（土着根粒菌）が存在しています。長年マメ科作物を栽培してきた圃場では、土着根粒菌の密度が高くなっていることが多く、新たに接種した優良根粒菌（接種菌）との間で根粒形成をめぐる競合が発生します。この競合関係が、根粒菌接種の効果を左右する重要な要因となっています。

土着根粒菌と接種菌の競合は、主に2つの段階で起こります。

第一は根圏での増殖競争です。

播種後、ダイズの根が伸長し始めると、根から分泌されるフラボノイドなどの化学物質を感知して、根粒菌が根の周辺で増殖を始めます。この段階で土着菌の密度が高いと、接種菌が増殖する余地が少なくなってしまいます。

第二の競合は根粒形成の速さをめぐる競争です。一度根粒が形成されると、その近傍では新たな根粒の形成が抑制される傾向があります（自己制御現象）。そのため、土着菌が先に根粒を作ってしまうと、後から接種した優良菌が根粒を形成する機会が減ってしまうのです。速く形成した菌が有利になるということですね。

研究によれば、土着根粒菌の密度が高い圃場では、接種菌による根粒形成の寄与率が大幅に低下することが報告されています。一方、水田転換畑や初めてダイズを栽培する圃場では、土着根粒菌の密度が低いため、接種効果が顕著に現れやすいという特徴があります。

土着根粒菌の問題は、その窒素固定能力が必ずしも高くないことです。圃場に定着している土着菌の中には、窒素固定能力が低い菌株や、根粒を形成しても窒素をほとんど供給しない「無効根粒菌」も含まれています。このような菌が優占すると、根粒はたくさんできていても、実際の窒素固定量は少ないという状況が生じます。

北海道立総合研究機構によるダイズ有効根粒菌の接種効果に関する研究報告

接種菌の定着を促進するためには、圃場の履歴を把握することが重要です。ダイズの連作圃場では土着菌が蓄積しているため、より高密度での接種や、土着菌に対して競争力の強い菌株の選択が有効です。逆に、初作圃場では標準的な接種量でも十分な効果が得られます。

圃場条件で判断すれば大丈夫です。

リゾビウム根粒菌活用による農業コストと環境負荷の削減

リゾビウム根粒菌を効果的に活用することで、化学窒素肥料の使用量を大幅に削減できます。ブラジルのダイズ栽培では、根粒菌による窒素固定の寄与率が7～9割に達すると報告されており、多くの農家が根粒菌接種を標準的な栽培技術として採用しています。窒素肥料への依存度を下げることで、肥料コストの削減という直接的な経済効果が得られます。

化学窒素肥料の価格は、原油価格や国際情勢によって大きく変動します。2022年以降の肥料価格高騰は、多くの農家にとって深刻な経営課題となりました。根粒菌を活用した栽培体系を確立しておけば、こうした外部要因による経営リスクを軽減できます。

リスク分散になるということですね。

環境面でのメリットも見逃せません。化学窒素肥料の製造には膨大なエネルギーが必要で、その過程で大量のCO2が排出されます。根粒菌による生物学的窒素固定は、このエネルギー消費をゼロにできるため、農業のカーボンフットプリントを大幅に削減する効果があります。

さらに、過剰な窒素肥料の施用は、土壌からの一酸化二窒素（N2O）の放出を増加させます。N2OはCO2の約300倍の温室効果を持つ強力な温室効果ガスです。最近の研究では、N2O分解能力の高い根粒菌を接種することで、ダイズ栽培からのN2O排出を42％削減できたという成果も報告されています。

温室効果ガスの削減に貢献できます。

農研機構による温室効果ガス削減効果を高めたダイズ・根粒菌共生系の開発

ダイズの収量向上効果も期待できます。研究事例では、優良根粒菌の接種によってダイズの増収率が9.1％に達したケースが報告されています。これは、窒素固定による安定した窒素供給が、生育期間を通じてダイズの成長を支えた結果です。

ただし、根粒菌を効果的に活用するには、適切な栽培管理が必要です。窒素肥料を多量に施用すると、根粒の着生や窒素固定活性が抑制されてしまいます。植物は土壌中に十分な窒素があると、エネルギーを消費する根粒共生を制限する性質を持っているためです。根粒菌の効果を最大化するには、基肥の窒素量を控えめにし、根粒形成を促進する栽培設計が求められます。

土壌のpHや排水性も重要です。根粒菌は酸性土壌では活性が低下するため、pH6.0～6.5程度に調整することが望ましいとされています。また、湛水条件では根粒内の酸素濃度が不足して窒素固定が阻害されるため、排水対策も欠かせません。

根粒菌資材自体のコストは、化学肥料と比べて圧倒的に安価です。大気中の窒素を効率的に固定化する根粒菌製剤は、途上国の農家の経済状況改善にも貢献しています。持続可能な農業の実現という観点からも、リゾビウム根粒菌の活用は今後ますます重要性を増していくでしょう。

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