背景：乳牛の遺伝子はメタン排出にどう関わるのか

乳牛の肝臓で産生される6-ヒドロキシメラトニンがルーメン細菌の増殖を促し、メタン生成の低減に関与するとの研究が米国科学アカデミー紀要（PNAS）に掲載された。研究チームは泌乳中のホルスタイン種304頭について、ゲノム、ルーメン微生物のゲノム、メタボロームを解析し、体外発酵とウシ肝細胞の実験で、宿主遺伝子から微生物発酵へとつながる経路を追跡した。鍵となるのは肝臓の代謝とルーメン微生物を結ぶ仕組みだ。

ルーメン微生物が産生するメタンは温室効果ガスであるとともに、飼料エネルギーの損失にもつながる。飼料調整や添加物に加え、メタン排出量の少ない家畜を選抜する育種も研究されているが、特定の遺伝的変異がどの代謝物や微生物を介して排出量に影響するのかは、十分に解明されていない。本研究はその過程の解明を目指した。

主な発見：肝臓の代謝物と水素を利用する細菌を結ぶ経路

主な指標は乾物摂取量当たりのメタン排出量（M/D）である。飼料の水分を除いた摂取量1 kg当たり、どれだけメタンが発生するかを示す。304頭では直接測定せず、既存の人工ニューラルネットワークモデルで予測した。この集団で推定された遺伝率は0.42、微生物叢情報で説明される分散の割合は0.19だった。これらは当該集団とモデルに基づく推定値であり、個々の乳牛の排出量の42％が遺伝子で決まるという意味ではない。

遺伝的変異を用いて因果関係を推定するメンデルランダム化（MR）解析では、プレボテラ属の3種が低いM/Dと関連した。特にプレボテラ・ブライアンティ（Prevotella bryantii）B14株のゲノムから、[NiFe]グループ1dのヒドロゲナーゼ遺伝子が確認された。ネットワーク解析も、この細菌がメタン生成微生物と水素をめぐって競合する可能性を支持した。同株を体外ルーメン発酵系に加えた実験でも、水素とメタンの生成が減少した。

研究チームがこれらの細菌を調節する宿主由来代謝物として挙げたのは6-ヒドロキシメラトニンだった。39°Cで6時間行った体外発酵では、0.1 mMの添加はガス生成に有意な影響を与えなかったが、1 mMではメタンが有意に減少した。総ガス生成量には有意な変化がなかった。純粋培養では、1.5 mMがP. bryantii B14の増殖を最も明確に促進した一方、2 mMでは同じ効果が認められなかった。

上流の調節経路はウシ肝細胞で調べた。ITFG2の発現を抑制すると、細胞の代謝シグナル系であるラパマイシン標的複合体1（mTORC1）が活性化し、メラトニン代謝酵素CYP1A2の発現と6-ヒドロキシメラトニンの合成が増加した。mTORC1阻害薬ラパマイシンを添加すると、これらの増加は阻止された。生きた乳牛の遺伝子を操作し、メタン低減効果を試した結果とは区別する必要がある。

意義と展望：育種候補マーカーと残された検証

ITFG2近傍の5:106926534変異では、TA遺伝子型が低い予測M/Dと関連した。別の農場で乳牛31頭を14日間、自動ヘッドチャンバーで測定した結果も同じ方向だった。TA型14頭の実測M/DはAA型17頭より有意に低かったが、1日当たりの絶対メタン排出量と乾物摂取量には、それぞれ有意差がなかった。したがって、総排出量の減少を実証した結果とは解釈できない。

本研究は、宿主の遺伝、肝臓代謝物、ルーメン微生物を併せて調べる低メタン育種研究の根拠を補う。ただし、この変異がITFG2の発現を変化させる正確な仕組みや、代謝物が細菌の増殖を促す機序は未確定だ。TA型でP. bryantiiと関連ヒドロゲナーゼが増える傾向も、統計的有意性には達しなかった。他の反芻動物での再現性、生体への代謝物投与による長期的な効果と安全性も、今後の検証課題として残る。

研究の設計と結果はPNAS論文の公開全文で確認できる。