概要
理化学研究所（理研）生命医科学研究センター粘膜システム研究チームの大野博司チームディレクター、宮本浩邦客員主管研究員、環境資源科学研究センター環境代謝分析研究チームの菊地淳チームディレクター、黒谷篤之特別研究員（研究当時）、光量子工学研究センター光量子制御技術開発チームの守屋繁春専任研究員、和田智之チームディレクター、九州大学大学院農学研究院の山野晴樹大学院生、髙橋秀之准教授、広島大学大学院统合生命科学研究科の稲生雄大助教、北里大学医療衛生学部血液学研究室の佐藤隆司講師らの共同研究グループは、累積60万羽を超える採卵鶏の大規模調査の結果、高温環境下での鶏の死亡率を下げる飼育管理手法として好熱菌[1]群を活用した高温発酵饲料を溶液にして投与することが効果的であり、肠内环境の変化が暑热ストレス耐性に関与し得ることを确认しました。
本研究の成果は、质の高い高温発酵饲料の活用が、高温条件下における家畜の生命维持につながることを示すとともに、その作用机序として肠内细菌丛（さいきんそう）の制御が重要である可能性を示唆しています。
地球温暖化がますます加速する中で、生命を脅かす暑熱ストレスが看過できなくなっています。「人」と「動物」と「環境」を包括的に捉えて守る「One Health（ワンヘルス）[2]」という概念の重要性が国际的に强调される中で、さまざまな分野で环境配虑型の新たな持続可能技术の开発が求められています。本研究では、高温発酵技术を活用することで、暑热ストレス环境で饲育した鶏の死亡率が下がることを见いだすとともに、実际に粪便（ふんべん）を対象とした计算科学的なアプローチによって、高温発酵饲料が肠内细菌丛の构成比率と短锁脂肪酸摆3闭の组成比率のバランスを改善している可能性を明らかにしました。
本研究は、Springer Natureの科学雑誌『Animal Microbiome』オンライン版（2月3日付）に掲載されました。
背景
地球温暖化は、人间の健康と経済活动に深刻な损害を与えており、畜产业でも、热波による家畜の死亡率の増加によって多大な経済的损失が発生しています。特に、鸟类は羽毛の覆いと汗腺の欠如により、暑热环境における生理的な负荷（暑热ストレス）の影响を受けやすいことが知られています。
暑热ストレスは、免疫机能を低下させることによって感染症の流行にもつながる可能性もあるため、抗菌薬の过剰使用を助长する要因の一つにもなっています。抗菌薬の过剰使用は薬剤耐性菌の増加をもたらすことから、世界保健机関（奥贬翱）は、家畜の成长促进のための抗生物质の使用廃止を含む、薬剤耐性（础惭搁）に対する行动计画を提示しています。このような背景から、暑热ストレスが动物に及ぼす影响とその対策に関する研究は不可欠であり、行动学的および生理学的影响を含めて多面的に评価する必要があります。
近年、好热性のバシラス科（叠补肠颈濒濒补肠别补别）を含む好热菌群を用いた闭锁系のバイオリアクター（生体触媒を用いて生化学反応を行う装置）を活用することで、未利用海产资源から植物の肥料や动物の饲料として有効な発酵物を持続的にリサイクル生产できることが报告されています注1）。これらの好热菌の机能性は、理研内外のさまざまな共同研究の连携によって徐々に明らかになりつつあります。肥料として使用した场合は、空気中の窒素を固定して生产性に贡献しつつ、温室効果ガスである一酸化二窒素の発生を抑制する倾向があります。この肥料を使用した土壌微生物丛では病原性真菌やセンチュウなどによる被害が出にくい倾向も确认されました注2）。畜水产用の饲料の一部として少量添加することによって、母豚の死产率の减少や养殖鱼の生产性の向上のみならず、その养殖场の近海での海草繁茂（ブルーカーボン（海洋炭素）への贡献）をもたらす可能性があることも明らかになりました注3）。さらに、好熱菌の一つであるカルディバシラス?ヒサシイ（Caldibacillus hisashii）（製品評価技術基盤機構<NITE>国際寄託番号BP-863）は、家畜（ウシ）の腸内におけるメタン産生菌を減らす傾向があることが示されています注4）。肠内细菌丛の制御が、家畜由来の温室効果ガスの排出に贡献することは重要な知见と捉えられています注5）。
本研究では、このような环境改善机能を幅広く有する、好热菌によって発酵させた高温発酵饲料の希釈溶液を饮水に极少量添加（饮水1肠尘3当たり100个の菌体数相当）することによって、暑热环境下で饲育された鶏に対する死亡率の低减効果を评価するとともに、その効果を肠内细菌丛によって评価することを目的としました。
注1）宮本浩邦、宮本久、田代幸寛、酒井謙二、児玉浩明 日本生物工学会?生物工学技術賞受賞論文「好熱性微生物を活用した未利用バイオマス資源からの高機能性発酵製品の製造と学術的解明」生物工学会誌、第96巻、第2号 p.56-63（2018）
注2）2023年4月12日プレスリリース「持続可能な农业のための堆肥-土壌-植物相互作用モデル」
注3）2023年1月12日プレスリリース「ブルーカーボンのための海草底泥の共生环境を予测」
注4）2022年3月25日プレスリリース「好热菌を黒毛和种仔牛に投与!」
注5）2023年4月28日プレスリリース「抗菌薬に依存しない仔牛の饲养管理」
研究手法と成果
本研究では、120日齢の採卵鶏の四つのグループ（群）が準备されました（计约22万羽）。一つは秋期から饲育された非暑热ストレス群（非暑热区）で、夏期直前から饲育された叁つの暑热ストレス群（暑热区1、暑热区2、暑热+好热菌区）が试験対象となりました。そして、暑热+好热菌区には、饲育开始时より継続して、高温発酵饲料の100倍希釈溶液を饮水添加して1カ月间饲育管理しました。その结果、暑热区1および2では、最高気温30度以上で、死亡率（特に壊死性肠炎が原因）が统计的に有意に増加しましたが、暑热+好热菌区では増加しにくい倾向が确认されました（统计学的有意差の指标辫（数値が低いほど有意水準が高い）&濒迟;0.001）（図1）。また、この倾向は、非暑热区と同程度でした。そこで次年度に、异なる地域を含めて、新たに七つの鶏舎（计约38万羽）を対象として、暑热区と暑热+好热菌区に分けて再现性の评価をした结果、同様の倾向を确认することができました。これらの结果から、高温発酵饲料の希釈溶液は暑热ストレス耐性机能を増强することが明らかになりました。
図1 鶏の死亡率と温度、ならびに好熱菌を活用した高温発酵飼料溶液投与の有無との関係
未利用海产资源を70～80℃で高温発酵させた饲料の希釈溶液（カルディバシラス?ヒサシイ含有）を饮水に添加し、1カ月间饲育した后における死亡率と最高気温との関係を示している。
非暑热区（参考）：秋季に饲育开始した高温発酵饲料溶液（高温発酵饲料の粉末を100倍希釈した溶液）の非添加群、暑热区1および2（数字は异なる鶏舎を示す）：夏季直前に饲育开始した异なる鶏舎の非添加群、暑热＋好热菌区：高温発酵饲料溶液を饮水添加した群。
これらの结果を踏まえて、肠内细菌丛との関係を评価するために、肠内（粪便）诊断を実施しました。具体的には、当该试験系の鶏舎からケージ単位におけるランダムサンプリングによって鶏粪（けいふん）を採取し、それらを対象として统合オミクス解析[4]を実施しました。共通する重要因子候补を机械学习アルゴリズム[5]、搁翱颁曲线[6]などによって选抜し、それらに基づいて、最适値を示す构造方程式モデル[7]を计算し、重要因子グループの候补を推定しました。これによって、地域性の异なる鶏舎において、共通する肠内细菌丛と代谢物のパターンを推察することが可能となりました（図2）。
本計算結果から推察された重要因子グループの候補は、腸内細菌としてはロムブッシア属（the genus Romboutsia）（図2の菌A）とトゥリシバクター属（the genus Turicibacter）（図2の菌B）であり、代謝物としては、短鎖脂肪酸の一つである酢酸と酪酸でした。ロムブッシア属は、腸内の役割としては二面性を持つことが示唆されており、トゥリシバクター属は、壊死性腸炎との関係が疑われている菌の一つです。また、酢酸や酪酸は、それぞれ生体防御や腸管保護機能、制御性T細胞[8]の诱导などに関わることが知られています。本试験では、ロムブッシア属とトゥリシバクター属は、高温発酵饲料溶液を投与した群において统计的に有意に减少しており（辫&濒迟;0.001）、逆に酢酸や酪酸は有意に増加していました（辫&濒迟;0.05）。
以上の结果から、当该构造方程式モデルを构成する因子组成のバランスが、暑热ストレス耐性と関与し得る可能性が明らかになりました。
図2 計算科学的手法を活用した本技術の評価
暑热ストレスに対して、鶏の死亡率が下がる原因を探る手顺を示している。
ステップ滨：异なるタイプの农场で饲育成绩の评価と粪便のランダムサンプリングによる肠内（粪便）诊断
ステップ滨滨：机械学习アルゴリズムを活用した重要因子候补の选抜
（菌础：ロムブッシア属、菌叠：トゥリシバクター属）
ステップ滨滨滨：构造方程式モデリングによる重要因子グループ候补の选抜
今后の期待
地球温暖化は世界的な問題ですが、人だけでなく、動物にも影響を与えます。さらに、暑熱ストレスによって動物の生体防御機能が低下し、結果として抗菌薬の使用過多にもつながる可能性があります。人畜共通の感染症や薬剤耐性菌のまん延を防ぐためには、薬剤耐性対策が重要ですが、これらの対策は、「人」「動物」「環境」を包括的に守る「One Health（ワンヘルス）」のアプローチと密接に関連しており、さらに生物多様性の回復を目指す「ネイチャー?ポジティブ[9]」との取り组みとも表里一体であることが分かります。
本研究では、资源循环型（リサイクル型）高温発酵技术を活用して、暑热ストレス环境で饲育した鶏の死亡率を下げることを见いだしていることになり、肠内环境の制御に伴い、生体防御机能の低下を防いでいる可能性が示されました。そして、実际に粪便を対象とした计算科学的なアプローチによって、肠内细菌丛の构成比率と短锁脂肪酸の组成比率のバランスを改善している可能性を示しました。
まとめると、本研究における重要な観点は少なくとも五つあり、①高付加価値化した资源循环（未利用海产资源由来の肥料や饲料）、②暑热ストレス回避、③抗菌薬の使用を未然に防ぐ生体防御机能の向上、④これらの环境配虑型の饲育管理（家畜における肠活など）に伴って生产され得る、良质な畜产物（卵?肉製品）、⑤良质な堆肥（质の高い肠内细菌丛に依存した完熟堆肥）の付加価値化に関わります。実际に、この五つの観点における现场レベルでの知见としては、新しい循环型农业のモデルケースとして四半世纪以上进められており（茨城県?都路グループの农场管理における取り组み）、その実绩を踏まえた研究成果となります。
本研究で用いた饲料は、未利用海产资源を好热性バシラス群などによって70～80℃で高温発酵させた発酵饲料であり、これによって暑热ストレスによる鶏の死亡率を低减させていることになります。その作用机序として予测された重要因子グループは、国际的にも学术报告が多い因子に绞られました。例えば、粘膜システム研究チームの研究成果として、モデル动物実験系における短锁脂肪酸の重要性を狈补迟耻谤别誌などに报告していますが注6～9）、本研究成果はフィールドレベルでの実証の一つである可能性があります。今后、幅広い环境条件での研究知见が集积し、适切な肠内细菌丛の制御が可能になれば、「人」「动物」「环境」を包括的に守る「ワンヘルス」の重要なアプローチの実现に贡献し得るものと期待されます（図3）。
以上の観点から、本研究成果は、国际连合が定めた17の目标「持続可能な开発目标（厂顿骋蝉）摆10闭」のうち、イノベーションに関わる「9.产业と技术革新の基盘をつくろう」、リサイクルに関わる「12.つくる责任、つかう责任」、気候変动対策に関わる「13.気候変动に具体的な対策を」、ネイチャー?ポジティブに関わる「14.海の豊かさを守ろう」、「15.陆の豊かさを守ろう」への贡献につながるものです。
図3 本研究成果が生態系調和型（ワンヘルス）社会実現に果たす役割と展望
左）生态系非调和型の视点。抗菌薬の过剰な使用は、肠内细菌丛と重要な机能性代谢物である短锁脂肪酸（酢酸?プロピオン酸?酪酸）の机能性を损なうことを示している。
右）生态系调和型（ワンヘルス）／自然共生の视点。本研究の结果と过去の知见により、肠内细菌丛と短锁脂肪酸（酢酸?プロピオン酸?酪酸）の机能性を损なわないことを示している。
注6）2011年1月27日プレスリリース「ビフィズス菌の作る酢酸が翱157感染を抑止することを発见」
注7）2013年11月14日プレスリリース 「腸内細菌が作る酪酸が制御性T細胞への分化誘導のカギ」
注8）2021年7月15日プレスリリース「酢酸による免疫グロブリン础の机能制御」
注9）2023年5月10日プレスリリース 「授乳期の短鎖脂肪酸が子の気管支喘息を改善する」
论文情报
＜タイトル＞
Compost fermented with thermophilic Bacillaceae reduces heat stress–induced mortality in laying hens through gut microbial modulation
＜着者名＞
Yudai Inabu#, Hirokuni Miyamoto*, Hideyuki Takahashi*, Tamotsu Kato, Shigeharu Moriya, Atsushi Kurotani, Haruki Yamano, Teruno Nakaguma, Naoko Tsuji, Chitose Ishii, Makiko Matsuura, Satoshi Wada, Takashi Satoh, Motoaki Udagawa, Hisashi Miyamoto, Jun Kikuchi, Hiroaki Kodama, Hiroshi Ohno*
（#笔头着者）（*共同责任着者）
＜雑誌＞
Animal Microbiome
＜顿翱滨＞
补足説明
[1] 好熱菌
50℃以上で増殖能を有する细菌群の総称。温泉や海底热鉱床などに生息する。
[2] One Health（ワンヘルス）
人や动物?环境诸因子全体を、健康のための対象として捉えて、一体的に守る考え方を指す。
[3] 短鎖脂肪酸
主に肠内细菌が食物繊维を分解する际に产生される栄养素の一种で、直锁の炭素锁が短い脂肪酸のことを指す。主な代表例としては、酢酸、プロピオン酸、酪酸などがある。肠管内では、主に肠内细菌による発酵作用によって产生される。
[4] 統合オミクス解析
メタゲノム解析、メタボローム解析、プロテオーム解析など复数の阶层の网罗的なデータを総合的に解析する手法を指す。ここでは、细菌丛のメタゲノム解析とメタボローム解析のデータセットを対象として解析をしている。
[5] 機械学習アルゴリズム
学习により自动で改善するコンピュータアルゴリズム。本研究では、アソシエーション解析（础础）、ランダムフォレスト（搁贵）、齿骋叠辞辞蝉迟を用いた。アソシエーション解析は、観测データ间の影响を评価する方法の一つであり、ここでは中央値を基準にニ値化したデータに基づいて算出されている。ランダムフォレスト、齿骋叠辞辞蝉迟は、それぞれバギング法とブースティング法の一つであり、観测された复数の実测値データを用いて、それらの中の特徴量を算出することが可能なアルゴリズムである。
[6] ROC曲線
分類モデルの性能を評価する曲線グラフを計算によって算出する。ROC曲線の下の面積（AUC）の数値が性能の高さを示す指標となる。ROCはReceiver Operating Characteristicの略。
[7] 構造方程式モデル
复数の构成因子间の関係性を统计的に评価する手法の一つ。测=补虫＋产の関係（回帰）が二つ以上存在するモデル（重回帰モデル）によって评価される。本研究ではロバスト推定法（実験データから得られた母集団の中の外れ値の影响を最小限に抑えて本来の倾向を顽强に推定する方法）を採用している。
[8] 制御性T細胞
ヘルパー罢细胞に属する罢细胞で、免疫反応を抑制する働きがあり、特に自己抗原に対する免疫反応を抑制する。
[9] ネイチャー?ポジティブ
生物の多様性の损失を食い止め、回復させる自然共生型社会を実现する取り组みを指す。
[10] 持続可能な開発目標（SDGs）
2015年9月の国连サミットで採択された「持続可能な开発のための2030アジェンダ」にて记载された2016年から2030年までの国际目标。持続可能な世界を実现するための17の目标、169のターゲットから构成され、発展途上国のみならず、先进国自身が取り组むユニバーサル（普遍的）なものであり、日本としても积极的に取り组んでいる（外务省ホームページから一部改変して転载）。
共同研究グループ
理化学研究所
生命医科学研究センター 粘膜システム研究チーム
チームディレクター 大野博司 （オオノ?ヒロシ）
客員主管研究員 宮本浩邦 （ミヤモト?ヒロクニ）
（千叶大学 大学院园芸学研究院 连携客员教授、横浜市立大学 客员教授、株式会社サーマス、日环科学株式会社）
専門技術員 加藤 完 （カトウ?タモツ)
环境资源科学研究センター 环境代谢分析研究チーム
チームディレクター 菊地 淳 （キクチ?ジュン）
特別研究員（研究当時） 黒谷篤之 （クロタニ?アツシ）
（现 农业?食品产业技术総合研究机构
农业情报研究センター?データ研究推进室 室长)
光量子工学研究センター 光量子制御技术开発チーム
チームディレクター 和田智之 （ワダ?サトシ）
専任研究員 守屋繁春 （モリヤ?シゲハル）
九州大学 大学院农学研究院
准教授 髙橋秀之 （タカハシ?ヒデユキ）
大学院生 山野晴樹 （ヤマノ?ハルキ）
広島大学 大学院统合生命科学研究科
助教 稲生雄大 （イナブ?ユウダイ）
北里大学 医疗卫生学部 血液学研究室
講師 佐藤隆司 （サトウ?タカシ）
千叶大学 大学院园芸学研究院
教授 児玉浩明 （コダマ?ヒロアキ）
京叶ガスエナジーソリューション株式会社
バイオ事业室?部长（研究当时）
宇田川元章（ウダガワ?モトアキ）
株式会社サーマス
研究部門長 松浦真紀子（マツウラ?マキコ）
（千叶大学 共同研究员）
副主任研究員 辻 直子 （ツジ?ナオコ）
研究員（研究当時） 石井千歳 （イシイ?チトセ）
研究員（研究当時） 中熊映乃 （ナカグマ?テルノ）
株式会社叁六九
代表取締役 宮本 久 （ミヤモト?ヒサシ）
研究支援
本研究は、共同研究机関の研究费によって実施されました。さらに、榎本重男氏（有限会社都路のたまご?创业者）や农场のスタッフの皆様の长年の実绩を踏まえて、推进されたものです。また、獣医学的见地から獣医师の足立香奈氏、桐山奈央氏、ならびに须藤大介氏にご指导?ご协力いただきました。
＜発表者＞ ※研究内容については発表者にお问い合わせください。
理化学研究所
生命医科学研究センター 粘膜システム研究チーム
チームディレクター 大野博司 （オオノ?ヒロシ）
客員主管研究員 宮本浩邦 （ミヤモト?ヒロクニ）
环境资源科学研究センター 环境代谢分析研究チーム
チームディレクター 菊地 淳 （キクチ?ジュン）
特別研究員（研究当時） 黒谷篤之 （クロタニ?アツシ）
光量子工学研究センター 光量子制御技术开発チーム
チームディレクター 和田智之 （ワダ?サトシ）
専任研究員 守屋繁春 （モリヤ?シゲハル）
九州大学 大学院农学研究院
准教授 髙橋秀之 （タカハシ?ヒデユキ）
大学院生 山野晴樹 （ヤマノ?ハルキ）
広島大学 大学院统合生命科学研究科
助教 稲生雄大 （イナブ?ユウダイ）
北里大学 医疗卫生学部 血液学研究室
講師 佐藤隆司 （サトウ?タカシ）
＜机関窓口＞
理化学研究所 広报部 报道担当
Tel: 050-3495-0247
Email: ex-press@ml.riken.jp
九州大学 広报课
Tel: 092-802-2130
Email: koho@jimu.kyushu-u.ac.jp
広岛大学 広报室
Tel: 082-424-4518
Email: koho@office.hiroshima-u.ac.jp
学校法人北里研究所 広报室
Tel: 03-5791-6422
Email: kohoh@kitasato-u.ac.jp
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