水を汲むだけで魚の生態がわかる「環境DNA」とは

これまでの生態学の常識を覆す研究手法「環境DNA」。実際に生物を捕まえて調査する従来型のアプローチとは異なり、河川・湖・海から採取した水に含まれるDNAを解析することで、そこに住む個体の種類や数などを調べることができます。このような環境中に放出されるDNAを「環境DNA」と呼び、生物を傷つけずに調査できる新技術として、研究者のみならず産業界からも注目されています。

今回取材に応えていただいたのは、環境DNA技術を確立した研究グループのおひとりである龍谷大学理工学部環境ソリューション工学科講師の山中裕樹先生です。環境DNAの最前線について詳しくお話を伺いました。

―環境DNAとはどのような研究手法なのでしょうか。

河川・池・海などの生態調査を、生物を捕獲することなしに可能にする技術です。従来の生態調査では、ある生物がそこに存在しているかどうかを調べるために、目で見て魚影を確かめたり、網を投げたり罠をかけたりして捕獲する方法が一般的でした。しかし、環境DNAの手法を用いる場合、現地で行うのは水を採取することだけです。

水辺や水中の生物は、体表の粘液や排泄物を介してDNAを環境中に放出しています。つまり水を採取すれはそこに住む生物のDNA情報を得ることができるのです。採取した水を研究室に持ち帰って、適切なプライマーを用いてPCRにかけ、目的の生物のDNAが増幅されるかどうかを見れば、その生物の存在の有無がわかります。また、川の流れや気候などの条件がそろえば、どのくらいの数がその場所に存在するかということまで推定することができます。

さらに、水に含まれる多種類のDNAを次世代シーケンサーで網羅的に読み取っていけば、どのような生物がその環境に存在しているかということもわかります。個体そのものを調べるよりは得られる情報量は少ないのですが、生物を獲らなくていいことは研究環境によっては大きな利点です。魚を傷つける必要がなく、岸の足場が悪かったり、網などを使えないような地形でも、水を採取するだけなら比較的容易に行えるからです。

欠点も利点もあることをしっかりと理解して使えば、水中や水辺の生態を調べるための有効な武器になるのではないかと思います。

―環境中に放出されたDNAはどのくらいの期間まで検出可能なのでしょうか？

一般的には水の中だと1週間くらいで検出できなくなるのではないかと考えています。具体的には、水槽の場合、魚を取り除いて3日から1週間経つとリアルタイムPCRの検出限界を下回ります。一方で、例外的に、池の場合は、魚のフンが泥の中に堆積して分解されずに残っていることもあるので、数カ月経っても検出できるという報告があります。

環境DNAの結果が、実際の魚などの生態を反映しているかどうかを調べるために、環境DNAの結果と、実際の生態調査の結果を比べた研究も複数あります。結果は、かなりの割合で一致しています。川の場合は流れがあるので、上流のDNAが分解される前に下流に到達しそうな気がしますが、2〜3kmほど離れた場所の水を採取すると、実際に住んでいる魚とだいたい同じデータが出ます。支流からの流れがあって希釈されやすい環境や微生物の多い場所では、水槽の中よりもDNAが早く分解されてしまうのかもしれません。

―環境DNAの技術はいつからあるのでしょうか？

着想を得たのは約10年前です。共同研究者の源利文先生（神戸大学）が、研究室で飼っていた鯉の水槽から採取した水を解析したことが始まりです。

といっても、環境DNAのアイデアがあって調べたわけではなく、最初は、水中に放出されているコイヘルペスウイルスのDNAの量を調べようとしたのです。しかし、ウイルスだけでは説明できない量のDNAが水の中に存在していることがわかって、調べると鯉から出たDNAが含まれていました。そこで私たちは、逆に、水の中のDNAを集めて解析すれば、そこに住む生物のことがわかるのではないかと考えました。環境に放出されたDNAなので環境DNAと名付け、実用化に向けて研究を始めたのです。

私たちはこのアイデアに手応えを感じ、精力的に研究を進めていったのですが、初めて学会で発表した時は、質疑応答の時間になってもほとんど誰も質問をしてくれませんでした。眉唾の技術だと思われたのかもしれません。発表して5年ほどは特に反響もなく静かなものでした。実際に魚を獲ってないことを批判されたりもしました。

しかし、地道な研究活動のおかげか、10年経つとずいぶん風向きが変わってきました。環境DNAは万能ではないけれども、生物を捕らえるための多大な労力と時間を節約でき、広く効率よく情報を得ることができるというメリットがあります。自分の研究に取り入れたい、水産資源管理への応用を進めたい、と考える人が増え始めています。

ミリポアのフィルターの国内在庫を買い占めた理由

―山中先生の研究のお話を伺いたいと考えたきっかけは、ミリポアのフィルターを大量に注文していただいたことでした。どのような研究に使われたのか、ぜひお聞きしたいです。

2年ほど前だったでしょうか。大量購入したのは、ミリポアのステリべクスというカートリッジ式フィルターです。国内在庫を買い占めるくらいの量だったらしく、メルクさんに驚かれました（笑）。

環境DNAの研究では、採取した池の水をフィルターでろ過します。普段は、より安価なフィルターを使い、ろ過器具も洗浄して使いまわすのですが、このときは事情が異なりました。そのプロジェクトを行うためには、フィルターだけでなく、ろ過に使う部分や、その周辺部分も全て使い捨てできる一体型のフィルターが必要だったのです。

それは、日本中の海岸を20kmから30km刻みでプロットし、沿岸すべてから水を集めてくるというプロジェクトでした。これだけのサンプルを私たちだけで採取するのは無理なので、プロジェクトの中心になっている研究者たちが方法をあちこちに教えにいって、サンプルを採ってもらいました。協力は20～30機関にものぼります。

ミリポアのステリベクスは、フィルターを直接操作する必要がなくコンタミネーションのリスクが少ない。その意味で、「多くの人の手で広域的にサンプルを集める」ためには最適だったのです。

海で魚の生態調査をするときは、通常は、魚を捕獲する方法をとります。そうすると、巻き網で獲ったり、地引網で獲ったり、潜って獲ったりと、場所や持っている技術によって調査方法が変わってしまいます。ですが、環境DNAの場合は、統一された手法で日本地図全体の海岸からサンプルを採取することができます。うまくいけば、全国的な魚の分布がわかります。

現在、サンプルの解析はほぼ終わり、チームメンバーが論文にまとめ始めています。興味深い結果が得られたので、発表をぜひ楽しみにしていてください（笑）。

環境DNAのこれからの可能性

―環境DNAを使った研究の今後の展望を教えてください。

研究のためとはいえ、魚を捕まえたり、水の中に入ったりすることは環境に人為的な影響を及ぼします。また、捕まえられないほど密度が低い希少種を調査したい場合もあります。そのようなときに、環境DNAという技術の存在は生態学研究にとって、大きなアドバンテージになると考えています。

水の中というのは、そこにいる生き物たちを記憶している記憶装置のようなものだと思っています。水の中には、現在の技術では取り出せない情報がまだまだたくさん潜んでいるはずです。ですから、プライマーの設計や解析方法を工夫することで、個体から得られる情報量にできるだけ近づけて、獲らずに知れることを増やしていきたいと考えています。

また最近では、生物種や量だけでなく、種内の遺伝的な多様性も環境DNAからわかるようになってきました。遺伝的多様性が低い個体群はどれなのか、という情報は保全すべき地域個体群を選定するうえで重要ですが、こうした情報を取り出す基礎的技術ができました。現在、その精緻化を進めています。

ちなみに、魚や、オオサンショウウオのような水の中に住む両生類だけでなく、哺乳類も環境DNAで検出できます。クジラやイルカのような水の中に住む哺乳類はもちろん、山の水を採取すればシカやイノシシのDNAも検出可能です。鳥類も検出もできますから、海鳥の調査にも応用できます。

環境DNAは、研究だけでなく、漁業や環境問題、産業にも応用が可能な技術です。ただ、日本は、研究の技術力は高い一方で、社会実装していくスピードは諸外国に遅れをとっています。

すでに北アメリカでは環境DNAを全国調査に使い始めていて、外来種駆除に利用しています。一方、ヨーロッパでは、自動採水して環境DNAのデータを集める機械の開発を進めています。

環境DNAは使い方次第では、今までの環境調査のコストを下げることができます。このようなメリットを周知してもらい、行政を動かすために、まずこの滋賀県の中で技術を普及させたいと考えています。環境DNAを環境保全に役立てたい。そのためにも、この研究が多くの人に知られてほしいし、たくさんの人に参入してきてほしいですね。

※山中先生が立ち上げに関わり2018年に設立された環境DNA学会の第１回目の大会が、2018年9月29-30日に日本未来館（東京）で開催されます。

プロフィール

山中　裕樹（やまなか　ひろき）
龍谷大学理工学部 環境ソリューション工学科講師。博士（理学）。
滋賀生まれ。三重大学生物資源学部生物資源学科卒業。京都大学理学研究科生物科学専攻修士課程および博士課程修了。博士（理学）。2007年総合地球環境学研究所プロジェクト研究員、2010年龍谷大学理工学部実験助手を経て2013年から現職。
環境DNA学会の立ち上げに関わる。
研究室URL：http://www.est.ryukoku.ac.jp/est/yamanaka/index.html