土壌はヒトの腸内細菌叢に寄与するか？
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土壌はヒトの腸内細菌叢に寄与するか？
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6780873/
. 2019 Aug 23;7(9):287. doi:10.3390/microorganisms7090287
Winfried EH Blum 1,Sophie Zechmeister-Boltenstern 1,Katharina M Keiblinger1,*.
PMCID：PMC6780873PMID：31450753
概要
土壌とヒトの腸内にはほぼ同数の活性微生物が生息しているが、ヒトの腸内マイクロバイオームの多様性は土壌の生物多様性の10%に過ぎず、現代人のライフスタイルに伴い劇的に減少している。我々は土壌マイクロバイオームとヒト腸内マイクロバイオームの関係を追跡した。その結果、土壌マイクロバイオームとヒト腸内マイクロバイオームの密接な関連は進化の過程で進化し、現在も発展中であることを示唆する、新たな環境マイクロバイオーム仮説を提唱する。狩猟採集民から都市化社会へ移行する過程で、ヒトの腸内はアルファ多様性を失っている。興味深いことに、ベータ多様性は増加し、都市部の人々のマイクロバイオームはより分化している。土や糞便との接触が少ないことに加え、衛生対策、抗生物質、加工食品による低繊維食によって、有益な微生物が失われている。同時に、土壌の生物多様性の喪失も多くの農村部で観察されている。農薬の使用量の増加、植物の生物多様性の低さ、厳格な土壌管理は、作物の着生植物やエンドファイトの生物多様性に悪影響を及ぼしている。こうした動きは、ヒトの腸内細菌叢に関連する生活習慣病の増加と一致している。私たちは、都市部の人間環境と工業化以前の農村環境の微生物サイクルの干渉を指摘している。これらの干渉を是正するためには、異なる視点を採用し、ヒトの腸内マイクロバイオームと土壌／根のマイクロバイオームを、密接な接触によって植菌物質、遺伝子、成長維持分子を互いに補充し合う「超生物」とみなすことが有用であろう。
キーワード：土壌生物多様性、人間の健康、土地利用、ライフスタイル、腸内細菌叢、土壌微生物学、地球変動、栄養、有機農業、都市化
1. はじめに
土壌中の微生物相の多様性は、土壌の一次生産性や栄養循環を含む微生物生態系に影響を与える。さらに、土壌は人間の生息地の一部であり、生活、レクリエーション、食糧生産のための空間を提供している [1]。幼少期から、私たちは土に接し、土を味わい、土を吸い込み、土を通過した水を飲む。さらに、土壌で育った植物を土壌微生物叢とともに摂取している。有史以前から人類は、栄養の乏しい地元の食生活を補うために、自ら進んで土壌を摂取してきた。特定の食品を食べられるようにするために必要な解毒剤として、また薬用として、通常は胃腸疾患の治療薬として、特定の土壌を利用してきた [2]。
一方、ヒトマイクロバイオームは生物医学研究の主要分野となっており、特に腸内微生物群集は、ヒトの健康と疾病に大きな役割を果たしている [3]。腸内環境は、常に微生物のコロニー形成者の流入にさらされている [4]。しかし、各個人はそれぞれ異なるマイクロバイオームを保有しており、常在微生物によって容易に区別することができる。食餌に付随する移行性細菌は、腸の代謝能力に寄与している可能性がある [5]。腸内の微生物群集は非常にダイナミックで、自己起源菌と同種起源菌（食物や水によって吸収されるだけでなく、生息する環境／土壌との直接接触によっても吸収される [6,7]）から構成されている。
腸内微生物群集と土壌微生物生態系の機能的類似性を考慮すると、両者の関係は可能であると思われる。生態系全体を見ると、人体とその微生物は拡張ゲノムとみなすことができる[8]。
したがって、「例えば、ヒトが異なる土壌微生物環境にさらされることによって、両システム間にどの程度の関係が存在するのか」という疑問が生じる。人間の活動は、農地利用などによって土壌微生物の分布や存在量を変化させており[9]、その結果生じる微生物生態系の変化は、生物地球化学的循環だけでなく、人間の健康にも影響を及ぼす可能性がある。このことから、人間の健康と土壌環境との関係を説明できる可能性があるとして、新たな環境マイクロバイオームの概念にたどり着いた。以下では、土壌とヒトの腸内マイクロバイオームとの関係の可能性を探る。
その中で、土壌マイクロバイオームと（ヒトの）腸内マイクロバイオームとの潜在的な関連性について議論し、ヒトの腸内マイクロバイオームと土壌マイクロバイオームの相互関係の可能性を評価する。
2. 土壌マイクロバイオームとヒト腸内マイクロバイオームの複雑な関係
2007年にヒトマイクロバイオームプロジェクトが開始されて以来、ヒトの体内部位に生息するすべての微生物（真核生物、古細菌、細菌、ウイルス）の塩基配列を決定することを目的とし、ヒトマイクロバイオームプロジェクトは、主にヒトの健康と疾患に大きな役割を果たす腸内微生物群集に焦点を当てた生物医学研究の主要分野へと発展してきた[3,10]。腸内微生物群集は、糞便マイクロバイオーム全体で990万個の微生物遺伝子を持つ、1兆個の微生物細胞からなる生態系を表している[11]。ヒトの腸内で最も細胞数が多いのは大腸で、炭水化物を利用する嫌気性菌が優勢な、多様で高密度の微生物集団を支えている [12]。それに比べて、小腸で見られる細胞数が最も少ないのは（表1）、高レベルの酸や抗菌剤など、細菌の繁殖を制限する性質があるためである [12]。また、小腸では通過時間が短いため、細菌の繁殖が制限される [13]。ヒトの腸のコロニー形成は出生時から始まり、微生物の多様性が急速に拡大し、ヒトの遺伝的変異、食事、感染症、異種生物、大規模な植物や土壌のマイクロバイオームを含む環境微生物への暴露などの内因性および外因性因子 [3]の影響を受ける。ヒトの健康における腸内細菌叢の数多くの多様な機能に関しては、肥満／メタボリックシンドローム、アテローム性動脈硬化／心血管疾患、神経／精神疾患など、数多くの消化管（GI）疾患や非消化管疾患にも関与していることが明らかになっている [3]。そのため、生物医学研究において最もダイナミックなトピックの一つである [3]。さらに、近年の大きな進歩により、遺伝性・後天性の悪性・非悪性疾患の患者に対する個々の診断、予防、治療の選択肢が増加している。なぜなら、個々の微生物群集は、微生物と宿主の相互作用の中心であり、多数の正常な生物学的・生理学的プロセスに関与しているからである [3]。全体として、近年、腸内ヒトマイクロバイオームは、生物医学研究において最もダイナミックな分野の一つとなっており、ヒトの健康や疾患に関する介入に多大な可能性を秘めていると言える［3］。
表1.
土壌、下水、ヒト腸などの環境／ヒト試料に含まれる微生物細胞数。
生息環境 gあたりの細胞数 mLあたりの細胞数 種の多様性
土壌107-109[22]1010[23]4×103-5×104species per g soil [22] 下水 109 [24,25
海水105-106[18］
空気 1 (=106cells/m³) [17］
ヒト腸内細菌1012[26] 4 ×102種/g 糞便 [27］
結腸（大腸）1011[29］
1011-1012[30]
回腸（下部小腸）108[29］
十二指腸及び空腸（上部小腸）103-104[29］
ヒトの口（唾液）108【18
系統発生学的に、ヒトは生活の物理的基盤として土壌と密接に接触し、日常生活に必要な食料だけでなく住居や水も提供して発達してきたという事実を考慮すると、外因性パラメータとしての土壌マイクロバイオームがヒトの腸内マイクロバイオームの発達に影響を及ぼすかどうかという疑問が生じる。土壌は、哺乳類やヒト科の動物が誕生するはるか昔から地球上に存在しており、地球上で最も広範な天然微生物遺伝子の宝庫である [14]。
2010年以来、アース・マイクロバイオーム・プロジェクトは、この遺伝子リザーバーに焦点を当てている。これは、クラウドソーシングされたサンプルのDNA配列決定と質量分析を用いて、地球上の微生物生態のパターンを理解することで、地球上の微生物の特徴を明らかにしようとする大規模な共同研究である[15,16]。
グラム当たりで見ると、腸、特に大腸は、表1に示した全てのバイオームの中で最も細胞濃度が高い[17,18]。これらの生息環境の多様性を考慮すると、1グラム当たりの推定種数から、土壌は数千種と、あらゆる環境の中で最も多様な個体群を保有していることが示唆される（表1 ）[17]。土壌と比較すると、ヒトの糞便に含まれる種の数は約10分の1である（表1）。しかし、ヒトの腸内では細胞の約20%しか休眠していないのに比べ、土壌では細胞の大部分（～80%）が休眠している [19]。細胞の休眠状態を考慮すると、ヒトの腸と土壌の活性種の総数は同程度かもしれない。
ヒトの腸内細菌叢を決定すると思われる主な因子は、(i)宿主の遺伝と代謝（遺産）、(ii)特にライフスタイル（環境）、(iii)食事と栄養習慣である [12,20,21]。
3. ヒト腸内細菌-その発生と進化
ヒトの腸内における微生物の多様性は、微生物群集とその宿主との共進化である [30]。古代の "微生物 "は、ヒトと共生的または常在的に進化し、病原性よりもむしろ有益である可能性が高い [31,32]。
生物圏の進化の歴史を明らかにするためには、様々な宿主や生息地のマイクロバイオームを調査することが極めて重要である。ヒトに関連する腸内微生物群集は、他の哺乳類種よりも互いに類似している [30]。哺乳類が草食動物、雑食動物、肉食動物に分類される場合、その微生物相はこれらのカテゴリーを満たすグループに分類される。しかし、腸内細菌叢の組成と機能性の強力な予測因子となるのは、やはり腸の生理機能である。草食動物の腸内細菌叢は、後腸発酵型か前腸発酵型かによって異なる [30]。
興味深いことに、いくつかの哺乳類系統の腸内細菌叢は、過去7500万年の間、ほぼ同じ速度で分岐してきた [4]。予想に反して、系統内の食性転換の回数は、微生物叢の分岐速度に影響を及ぼさず、代わりに、最も劇的な変化のいくつかは、陸上生活から海洋生活への移行に伴うような細菌分類群の消失に関連している [4]、したがって、土壌との接触が失われた [4]。もう一つの劇的でごく最近の変化は、ヒト系統の細菌が大量に失われたことにより、ヒトと他の霊長類との分岐が加速したことである。栄養／食事は、霊長類のクラスター形成パターンにとって最も重要であった。ヒトの腸内細菌群集は他の雑食動物と同程度であり、果実を含む食事をとるボノボやピグミーチンパンジーに最も近縁であるようだ [30]。したがって、ヒトと霊長類の腸内細菌叢の比較測定に基づくだけで、ヒトという種は、入手可能性に応じて種子や肉類を含む柔軟な食生活を送る、非特異的な質素食動物とみなされるかもしれない。植物を主食とする他のヒト科動物（大猿類）は、雑食性の霊長類と非霊長類の草食動物との中間的な位置にあるようだ [30]。ほとんどの昆虫の腸内には数十種の微生物しか存在しないのに対し、哺乳類の腸内には数千種もの微生物が存在する [5]。草食動物の腸内は高い細菌多様性を示しており [5]、その中にはエンドファイトのような植物に関連する種も含まれている [34]。エンドファイトは植物組織の内部に存在するため、胃の消化に耐えられる可能性がある。
ヒトの腸内細菌集団は、祖先由来のものから、妊娠中、出産時、出生後に母親の体部位との接触を通じて母親から個別に垂直伝播したものであり、母親の腸内細菌の寄与が最も大きい [35]。生後3年以内に、腸内細菌の系統学的組成は、地理的領域に依存しない成人のような群集へと進化する。母親は、出生時および出生後の微生物の伝播と腸内コロニー形成の源である。このプロセスは、主に出産の方法（経膣分娩か帝王切開か）と赤ちゃんの授乳（母乳育児か粉ミルクか）によって影響を受ける。年齢が高くなるにつれて、腸内細菌叢は他の家族構成員と同様に発達する。
初期のホモ種における採食行動と食生活の変化にも、家族間の相互作用が含まれていたが、その方法は異なっていた。祖母仮説」［37］では、気候変動による生息地の変化がホモの生物学、生態学、社会を変化させた後、高齢の女性による採食といわゆる「地下貯蔵ユニット」（植物の根、球根、塊茎）の共有が重要性を増したとしている［38］。同位体研究 [37]によって支持されているこの仮説によれば、高齢の女性が塊茎を採食することは、子供の栄養補給のために不可欠であり、それがより高い生殖体力を誘発した [37]。乾燥したサバンナの森林地帯に生息するタンザニアの伝統的な採食集団では、初期のホモ属の食生活で報告されているように、地下の根、球根、塊茎の重要な役割が今でも観察されている。このことは、土壌の摂取とその結果もたらされる可能性を示唆している [37]。
腸内微生物の組成には、宿主の遺伝よりも食事摂取の方が強く影響することが示唆されている [39]。腸内細菌叢は宿主の遺伝子にまで影響を及ぼし、それによってエネルギー消費と貯蔵を調節することができる。これらの知見は、1,000人以上の健常人を対象とした大規模な腸内細菌叢の研究によってさらに裏付けられている。この研究では、家庭を共有していない親族間には類似性が認められなかったが [40] 、家庭を共有している遺伝的に無関係な個人には有意な類似性が認められた。この結果は、宿主の遺伝が腸内微生物群集の形成に果たす役割は小さく、マイクロバイオーム全体の遺伝率は8％以下であることを示唆している。したがって、腸内細菌群集の構成は、生活習慣や食事などの環境に関連する非遺伝的要因 [40] によって形成されることが大部分である。
環境の重要性は、年齢が上がるにつれて個体間のばらつきが減少するという事実からも示されている [36]。さらに、異なる地域の腸内細菌叢の系統組成には顕著な違いがあり、アメリカインディアンやマラウィの農村部の集団に比べ、アメリカの都市部の集団では細菌の多様性が最も低いことが明らかになった [36]。ヒトの集団で報告された細菌の多様性と遺伝的機能が最も高かったのは、アマゾンのジャングルに住む狩猟採集民の人里離れた集団であった [41]。以上のことから、マイクロバイオームの短期的な変化と長期的な変化は、個体レベルでも集団レベルでも起こり、土壌との接触がその両方のスケールで役割を果たしていると結論づけられる。
4. ヒト腸内マイクロバイオームと環境・ライフスタイル
都市生活者の生活環境は、自然の生物多様性や環境微生物への曝露が少ないことを示している [42]。屋外に関連する天然の有益な微生物叢との接触が失われることは、間接的にヒトの腸内細菌叢に影響を与え、ヒトの健康に悪影響を及ぼす可能性がある [43]。私たちの祖先は、農業や畜産業を営むというライフスタイルのため、土と密接に接触していた。屋外や農場など、衛生的でない環境と早期に接触した子どもは、自己免疫疾患を発症しにくいという研究報告がある。このことは、微生物の多様性が豊かな環境がアレルギーや自己免疫疾患から保護することを示唆する「衛生仮説」によっても支持されている［45,46］。したがって、常在微生物だけでなく土壌病原菌も、免疫調節経路を刺激することによって、ヒトの免疫寛容に寄与する可能性があるようだ [47]。とはいえ、近代的な衛生管理、抗生物質、近代的な農法が、ヒトの疾病負担と死亡率の大幅な減少に多大な貢献をしていることは重要である。
土壌の生物多様性が腸内細菌叢と相互に関連していることを示す証拠もある。特に、マウスの腸内微生物の多様性は、土壌微生物への曝露によって増加した [48]。腸内微生物の多様性は、通常の食事で無菌土壌と接触しているマウスでは増加する可能性があるが、無菌土壌では影響を受けなかった [6]。環境微生物の添加は腸内生物多様性を増加させたが、最も豊富な細菌への影響は限定的であった [48]。このように、微生物は主に微生物の多様性に寄与する一方、土壌は群集組成を変化させることができ、食事と同程度に影響を与えるようである。動物実験の結果から、土壌とそのマイクロバイオームとの接触は、健康な腸内細菌叢にとって有益であることが示唆されている [6]。
哺乳類の健康は家畜化の影響を大きく受けており、家畜化されていない種と比較してウマ科の動物で観察される腸内細菌叢の多様性が低いことが関係している可能性がある [49]。このような動物の腸内多様性の低下は、自由生活をしている動物に比べ、ほとんどの動物園動物にも当てはまる [50]。
地上で生活するヒヒの腸内細菌叢に関する最近の研究では、土壌が腸内細菌叢を形成する最も支配的な予測因子であり、宿主の遺伝よりも15倍も強い影響を及ぼすことが示された [7]。植生が腸内細菌叢を強く決定しているわけではないが、雑食性のヒヒの食餌が土壌と密接に接触しているという事実は、腸内コロニー形成のために土壌微生物叢が伝播する可能性を裏付けている [7]。
アルカリ性の土壌条件による）土壌の生物多様性の低下とヒヒの腸内微生物の豊かさとの密接な関連性は、生物多様性の損失という世界的なメガトレンドの観点から、特に人間の健康を維持するために重要な精査に値する側面である。伝統的な農場など、微生物叢が豊富な農村環境は、ヒトの健康に有益であることが示されている [21]。特に、微生物が豊富な農村環境でアーミッシュ・コミュニティが実践している、土と密接に触れ合う手作業による農業は、機械化された農業を実践する農村のハッター派と比較して、免疫機能に著しい有益な効果を示している [44]。しかし、人間の生活様式の変化は、食生活、生活環境、環境生物多様性の変化による健康への保護的影響を減殺する可能性がある [21]。産業革命以前の時代には、小規模の構造化された農場が支配的であり、人口の大部分は農業部門、牧畜民、または狩猟採集民で働いていたため、彼らのライフスタイルは自然（すなわち、土壌、植物、図1 ）と密接に直接接触していた。
図1.
環境中の微生物叢は、土壌や糞便との直接的な接触や食物（の質）を介して、ヒトの腸内微生物叢に影響を与える。私たちの祖先は環境と密接に接触して生活していた（産業革命以前の微生物叢のサイクル）。これに対して、都市化、農業の工業化、農薬や抗生物質、ホルモン剤（投薬）の使用などの現代的なライフスタイルといった人間の活動は、土壌や糞便との直接的な接触の喪失とともに、微生物叢の豊かさを減少させ、微生物叢との重複を減少させている（b 、産業微生物叢のサイクル）。このようなあらゆる区画における微生物の豊かさの枯渇は、人間の健康に大きな影響を及ぼす可能性がある。
人糞が "夜土 "の形で再び農耕地に入り込んでリサイクルされることでさえ、当時の資源の閉鎖的な循環を物語っている（図1 ）。現在では、自動化された畜産において、糞尿の利用を除けば、糞便に直接触れることはほとんどない。有機農業などでは、無投薬の家畜の糞尿が、腸内細菌叢を土壌微生物生態系に再導入することによって、それを補う有益な効果をもたらす可能性がある。
世界的な人口増加と住宅・食料の必要性により、農業慣行と都市化が激化している。農業の工業化が進むと、土壌の生物多様性が減少する [51]。すでに世界人口の50％以上が都市に住んでおり、2050年には約3分の2に増加すると予想されている [52]。世界的な都市化の進行により、屋外から切り離され、自然環境との接点が失われている [53]。生活環境における微生物との接触の減少だけでなく、衛生環境の悪化や抗生物質・農薬・ホルモン剤の使用 [43] が腸内細菌叢の豊かさを奪っている（図1）。
この文脈で特に重要なのは、成人の腸内細菌種の豊富さは、都市社会と比較して農村社会で高いという事実である [41,54,55]。私たちの祖先に近い狩猟採集民のライフスタイルは、腸内細菌叢の豊かさが最も高いことを示した [55]。
Martínezら[54]は、農村部の集団では環境暴露と共生微生物の水平伝播（微生物分散と総称される）の両方が腸内マイクロバイオームを推進している可能性が高いが、都市部のライフスタイルでは微生物の分散が制限されると提唱している。この分散性の低さは、都市市民のヒト腸内細菌叢の個体間ばらつきの大きさ（β多様性）を説明することができる。衛生環境、薬物療法、食生活の変化と相まって分散が制限されると、コロニー形成がうまくいかなくなり、その結果腸内細菌叢の豊かさが低下する [54]。アフリカの農村部の人々に典型的な、繊維質と複合炭水化物を多く含む食事は、西欧工業国の都市部で一般的な高度に加工された食品の消費とは異なり、腸内細菌叢の豊かさを維持する可能性がある [56]。
衛生的な対策は、病原体だけでなく腸内共生細菌の伝播リスクも低減させる [54]。このような現代的なライフスタイルによる分散の制限は、個体間の均質化の可能性をも低下させ、欧米の集団における高いベータ多様性をもたらし、その結果、分散による種のコロニー化をうまく結びつけ、豊かさを減少させている [54]。
したがって、水資源の糞便汚染は、糞便病原体による感染症を蔓延させることによって、人間の健康に重大なリスクをもたらす [57]。飲料水資源の微生物ハザードとリスク分析だけでなく、水処理などの衛生習慣は、欧米先進国では最先端であり、腸内病原体による感染リスクを低減している。糞便汚染の微生物発生源追跡における課題は、発生源の区別であり、土壌、植物、その他の環境源のような腸外生息環境で発生する類似した遺伝子マーカーの同定を除外することにより、糞便の標的特異性を確保することである[58,59]。
土壌には、バイオマスの生産や生物多様性の維持といった多くの生態学的機能の他に、清浄な飲料水を供給するという独自の機能がある [60]。この土壌の機能は、土壌の生物多様性によっても強化される。土壌の生物多様性は、土壌構造の改善や水の浸透に関与するためと考えられ、その結果、プロファイルを通じた浸透が促進される。これは、サイズ排除、吸着、死滅（無機化と代謝、[47]）によって汚染物質や病原体を確実に除去する土壌のフィルターおよび緩衝能力にとって非常に有益である。この事実は、人間の健康にとって土壌微生物叢が重要であることをさらに強調し、有害汚染物質の分解を促進し、人為的な衛生状態の悪化による影響を軽減する。
例えば、厩舎を掃除する必要がないためである。腸内細菌叢の発達に糞便微生物叢が重要であることは、経膣分娩児は帝王切開分娩児よりも母親と糞便微生物叢を共有する割合が高いという事実からも裏付けられている [61]。離乳後、乳児は地面を這い、口を使って環境を探索することを考えると、土壌や動物の糞便はヒトの腸内細菌叢の進化にとって重要かもしれない [6]。この時期の豊かな環境は、幼少期の免疫調節機能の発達にとって、ヒトの健康にとって重要である。
前述したように、あらゆる形態の病原体から身を守るためには、都市のような人工的な環境は、最終的に有益な微生物の数を減らし、病原体を集中させる可能性のある生息地とみなすことができる。ほとんどの場合においても、糞便にさらされることは、健康な腸内細菌叢を乱す可能性が大きい。衛生仮説は、共同生活者と病原体の両方が免疫機能を刺激することを示唆している。
都市環境において、緑地や公園など生物多様性の高い場所 へのアクセスは、社会経済的地位に関係なく健康上の利点に関係 しており [63]、これは豊富な環境微生物叢への曝露と関連する可 能性がある。したがって、生活環境の生物多様性を向上させる 都市の再野生化に関する最近の研究は、多様な環境微生物 群との接触を増やすことで免疫疾患を予防し、その結果、 人間の健康を改善する可能性があることを示している [64]。
したがって、現代人のライフスタイルと土壌との直接的な接触の喪失が、工業化以前の農村環境とは対照的に、都市環境における微生物学的サイクルの中断を引き起こしていると考えられる。したがって、土壌はヒトの健康な腸内細菌叢の重要な一次供給源である。しかし、土壌や環境がヒトの腸内細菌叢をどのように形成しているのか、また生活習慣の変化が腸内細菌叢にどのような影響を与えるのか、正確な解明が必要である。予防医学にも関連するダイナミックな研究テーマである。
5. ヒト腸内細菌叢と食事・栄養
都市型ライフスタイルや自然との触れ合いの喪失に加え、私たちの食生活もここ10年の間に変化した。食品を長期輸送、保存、流通させるために、殺菌処理されることが多い。より加工された栄養に加え、糖分や脂肪分を多く含むエネルギー豊富な食品の摂取は、腸の生物多様性を低下させる。消化管内で増殖した微生物は、宿主の食行動を操作する選択圧を受けており、微生物の競争相手を抑制するような不健康な食品への欲求を生み出す可能性があるため、しばしば悪循環に陥る。
薬物療法、特に特定の薬剤の摂取は、主に欧米の集団の腸内細菌叢を動かしており、デンマークの大規模な研究 [66]で示されたように、糞便微生物叢の最大の総分散を説明している。医療用抗生物質の摂取量の増加と食肉消費量の増加は、抗生物質耐性菌と耐性遺伝子の増加を招き、深刻な環境問題を引き起こしている。抗生物質は病原体だけでなく、人体に生息する有益な微生物も除去するため、群集組成を劇的に変化させる。抗生物質耐性は、抗生物質耐性遺伝子の水平移動によって細菌集団間に広がる。抗生物質耐性地域の中でもホットスポットは、細菌の負荷が高い自治体の廃水システムである [67]。この文脈では、遺伝子組換え植物の消費にも注意が必要である。なぜなら、組換え遺伝子が細菌を介して根圏や腸に移行する可能性があるからである [21,68]。
臨床データと質問票ベースの共変量を含む便中マイクロバイオームに関する大規模研究では、便の一貫性が便中マイクロバイオームに最も大きな影響を及ぼし、内服薬が最も大きな全分散を説明することが報告されている [66]。便中マイクロバイオームの構成に複合的な影響を及ぼす要因の中には、食物繊維や果物の摂取量、パンの嗜好性といった食事の詳細も含まれる。
食事がヒトの腸内細菌叢の形成に関係していることは、Martinezらの研究 [54]によってさらに裏付けられている。この研究によると、パプアニューギニアの未開発地域では、植物由来の炭水化物や繊維が豊富な食事の方が、抗生物質よりも腸内微生物の多様性パターンの予測因子として強いことが示唆されている。薬物療法を受けられない狩猟採集民の腸内細菌叢 [55]では、門レベルまたは属レベルの存在量に男女間で有意差が見られ、男女間で伝統的に仕事と食事が分離されていたことが示されている。女性は塊茎や繊維を多く含む食事で家族と一か所に留まる傾向が強く、狩猟は男性が行い、それが腸内細菌叢を形成していることが示唆されている［55］。
タンザニアの採集・狩猟コミュニティでは、腸内細菌叢におけるビフィズス菌の含有量が低いか、全く存在しないことが示された [55]。ビフィズス菌は、生後1年間を通じて乳児の腸内細菌群集の大部分を占めている。さらに、ビフィズス菌は、乳製品や肉類の摂取といった食生活の嗜好性により、西洋文明の腸内細菌叢の重要な構成要素となっている [54]。菜食主義者のヒト腸内細菌叢では、食物繊維を利用する細菌に比べてビフィズス菌の割合が低いことから[54,69]、動物由来製品の摂取といった異なる食習慣が、腸内の機能的に異なる細菌の割合に影響を及ぼす可能性があるという考えが支持されている。
欧米化されていない集団のマイクロバイオームは、ベジタリアンやビーガンのものとよく似ている [69,70]。一般的にタンパク質が豊富な食生活を送っているアメリカインディアンの腸から得られた遺伝子の機能分類は、肉食の哺乳類のそれと類似していた [36]。米国市民のマイクロバイオームとは対照的に、伝統的にトウモロコシやキャッサバを食べるマラウィ人（東アフリカに居住）やアメリカインディアン（アメリカ大陸の先住民）のマイクロバイオームでは、グルタミン酸合成酵素をコードする機能的遺伝子の割合が高いことが観察された。これは草食哺乳類と肉食哺乳類の違いと類似している。
この文脈では、デンマークの研究で、腸内細菌叢の形成に関連すると考えられる食習慣が、果物、パン、アルコール摂取などの炭水化物であることが確認されたことは興味深い [66]。
特定の種類の食品は、腸内細菌叢に予測可能な変化をもたらすため、ヒトの腸内細菌叢は食事に直接影響される可能性がある [70]。人間の食生活は、主に季節的で地元で生産される多種多様な作物から、少数の高収量品種へと工業化時代に変化した。モノカルチャー作物の増加とともに、農薬の使用は土壌の生物多様性をさらに減少させている（図1）。土壌微生物は植物をコロニー化するため、土壌の生物多様性と植物マイクロバイオームの多様性は、収穫前後で異なる可能性がある [71]。
人間のライフスタイルの変化には、消費前のいくつかの収穫後の作業も含まれる（図1 ）。これらの作業には、洗浄、粉砕、分離、混合、乾燥/加水、加熱、分散、包装、保管、流通、輸送などが含まれる。しかし、土壌の生物多様性、特に共生微生物を維持することで、食品保存の手間を省くことができる。アーバスキュラー菌根菌のような共生植物微生物は、ジャガイモのような主食作物の貯蔵によって誘発される害虫を減少させることが示されている [71]。種の豊富さは、塊茎病害のリスクを効果的に低減することができる。病害虫リスクの低減の他にも、根共生菌は、ビタミン、ミネラル（マクロおよびマイクロエレメント）、抗酸化物質など、食品／作物の栄養品質を高めることができ、人間の健康に有益なその他の植物二次代謝産物も含む [71,72]。このことは、健康的な食生活とライフスタイルが、土壌の生物多様性を促進する土壌管理法を用いた農場からの食品の消費を通じて結びついていることを強調している。農業と栄養における現代の変化には、例えばブロッコリー、カリフラワー、キャベツなどのアブラナ科植物の苦味を減らすための育種努力も含まれる。苦味はグルコシノレートによるもので、このグルコシノレートは植物が病原菌に抵抗するのを助け、抗がん代謝産物であると推測されている。したがって、グルコシノレートの消化機能は、ヒトの腸内ではほとんど低下している。このような栄養調整は、ヒトの腸内における薬物の変換や分解と同じように、機能的な遺伝子を通じて行われる可能性が高い。
苦味植物と同様に、ほとんど加工されていない新鮮な果実の摂取は、土壌の生物多様性が二次代謝産物の生産を刺激するため、特にヒトの健康に有益である [71]。パンのような加工度の高い食品を摂取すると、腸内微生物群集にさまざまな炭水化物源や食物繊維が供給されるが、土壌生物多様性の高低による二次代謝産物への影響は加工中に失われる [71]。
伝統的な零細農家とは対照的に、多くの先進工業国ではむしろ一般的な大規模農家では、収量を最適化するために少数の植物種による単一栽培など、集約的な農法が行われている。このため、人間のための食物の種類が減少し、さらに農薬の使用による汚染物質による潜在的脅威が増大している。そのため、有機栽培された野菜は、慣行栽培されたものよりも微生物エンドファイトやエピファイトの生物多様性が高いことが示されている [21]。農業土壌に関する最近のメタ研究では、有機農業は土壌微生物の存在量と活性を高める手段であることが示されている [73]。
抗生物質の投薬に加えて、加工によって食品から微生物を除去することは、ヒトの腸内細菌叢に直接的な影響を及ぼすと結論づけられる。いずれにせよ、多様な土壌環境から、生きた微生物叢を含む繊維と植物二次代謝産物の豊富な多様な食品を摂取することは、腸にプラスの影響を与える可能性がある。
6. 機能的生態系としての土壌マイクロバイオーム-腸内マイクロバイオームとの関連性の可能性
世界的に見て、土壌は微生物と同様に非常に多様である。すべての土壌に生息する種はわずかであり、特定の土壌や地域にのみ生息する希少種も数多く存在する [47]。土壌生物多様性のこの巨大な不均質性と地理的地域との関係は、いくつかの研究グループによって取り上げられ[74,75,76]、世界的な土壌生物多様性アトラスとホームページが作成された（https://www.globalsoilbiodiversity.org/atlas-introduction/ ）。こうして、土壌マイクロバイオームの地理的データをヒト腸内細菌叢と比較することが可能になった[43]。
予想外なことに、Tasnimら[43]は、分類学的に低いレベルでは、土壌微生物と腸内微生物の重複はほとんどないと報告している。ヒトの糞便サンプルはバクテリオデテス（Bacteriodetes）属とファーミキューテス（Firmicutes）属が優勢であったのに対し、土壌サンプルはプロテオバクテリア（Proteobacteria）属とベルーコミクロビア（Verrucomicrobia）属が優勢であった。腸内細菌叢と土壌微生物叢を広い地域で比較するためのデータはまだ不足しており、方法論的に重要な問題がいくつもあるが、2つの生息環境には基本的な違いがあるようだ。大きな違いの一つは、土壌は炭素とエネルギーが限られた培地であり、微生物は飢餓状態から生還する生活様式を維持していることである [77]。根圏では状況が異なり、Cに富む根滲出液が絶えず増殖し、栄養分とエネルギーを供給している。根圏の微生物群集は、バルクの土壌群集だけでなく、根のエンドファイト群集とも関連している [78]。実際、アカツメクサ（マメ科：根からの滲出液が最も多い植物）の根圏微生物群には、バクテリオデテス（Bacteriodetes）とヴェルコミクロビア（Verrucomicrobia）、およびそれらの共生根粒菌が生息している [79]。植物根の内部共生細菌と外部共生細菌は異なり、前者は動物の腸内細菌に似ており、後者は皮膚に共生する細菌に似ている [80]。
植物の根圏とヒトの腸内細菌叢には、系統学的な類似点の他に、多くの機能的類似点がある。(ii) 腸内環境と根圏は、酸素、水、pHの勾配によって特徴付けられ、多様なニッチをもたらす。(iii）腸内細菌叢と根圏微生物叢の構造は、宿主の遺伝子型と年齢に応じて形成される。どちらも病原体から身を守り、免疫系を調節する。マイクロバイオーム生態学におけるこのようなクロスキングドムの類似性は、植物とヒトにおける病原体の生物制御のための類似した戦略の議論につながっている [82]。一般的に観察される現象のひとつに、侵入者の生存率が在来のマイクロバイオームの多様性に反比例するというものがある。これは、より高い資源の取り込みと、その結果としてのニッチ利用可能性の減少によって説明することができる [83]。これらの知見は、後の段階でのバイオテクノロジーによる介入（例えば、[84]で議論されているようなプロバイオティクスや共生細菌の導入）を回避するために、そもそも土壌／根圏で豊かな多様性を維持することが最も重要であることを示している。
豊かな根圏生物多様性を維持するためには、この機能的生態系の主要な推進要因を理解する必要がある： 根圏マイクロバイオームは、土壌の種類、水分、年齢、植物の遺伝子型、根の溶解液や滲出液と関連している [5]。人間の腸と同様に、根圏は広大な表面を提供している（根毛、または微絨毛を介して[5]）。加えて、両システムは共通してかなりの不均質性を持っており、したがって、空気、葉の表面、水域などの他の環境生息地と比較して、多数の種によってコロニー形成される微小環境が複数存在する [18,24]。これらの微小環境は、土壌の耕起が広範囲に及ぶ場合や水耕栽培では減少する。根圏微生物叢は、おそらく高い養分利用可能性により、r-選択種が濃縮されていると考えられる。これとは対照的に、土壌の大部分では、アシドバクテリア属、クロロフレキシ属、ベルーコミクロビア属、プラナクトミセス属など、成長が遅い微生物相がより安定した集団を形成している。これらの微生物は、長期間の飢餓状態にも耐えることができ [77] 、新苗の再接種に不可欠である。過剰なミネラル肥料の施用は、土壌貧栄養生物の生存条件を低下させる。不適切な土地管理の他に、土地利用の変化も微生物群に深刻な影響を及ぼす。特に、土壌の密閉化と土壌侵食は、広大な土地の典型的な土着微生物群とともに失われ、この損失は元に戻らない。
また、バイオフィルムは、ヒトの消化管／腸［89,90 ］と根圏［91,92 ］の両方に見られる。腸管や土壌の根圏は栄養豊富な環境であり、イネの根における窒素の固定が暗所よりも昼間に高くなるように、またヒトの消化管におけるメラトニンというホルモンが体内時計を制御するように、概日周期に従っている [5]。
なぜなら、（i）腸内細菌叢は必須アミノ酸やB12やKなどのビタミンを産生するのに重要であり、（ii）根の微生物叢は、養分取得の改善、生物的（すなわち、干ばつ）および生物的（すなわち、旱魃）に対する抵抗性によって植物の健康を促進するホルモンを産生するのに重要だからである、 に対する抵抗性を向上させ、成長を維持することによって、植物の健康を促進する。
栄養が枯渇した土壌に由来する、ヒトにおけるいくつかの微量栄養素の欠乏は、代謝における補因子として、酵素活性を調節し、または補酵素として機能することにより、実質的な影響を及ぼす可能性がある。地上部と地下部の土壌生物多様性が低下すると、土壌生態系機能が脅かされる [94]。このような土壌生物多様性の損失は、直接的な人為的活動によるものである [47]。気候変動による間接的な人為的影響は、土壌の温暖化実験 [95,96,97]によって示されているように、土壌生物にストレスを与え、生物多様性に影響を与えることで、土壌機能にますます影響を与えるであろう。
世界的な都市化と農業の機械化は、前世紀に劇的に増加した。鉱物肥料や農薬などの農薬の使用と相まって、土壌の生物多様性は減少している。人間の薬物療法においても、抗生物質やホルモン剤の使用により、この間に強い変化が起こった。投薬が欧米人の腸内細菌叢に大きな影響を与えていることは、最近証明された。
上述の土壌根圏とヒト腸内細菌叢の構造的・機能的類似性から、両者は互いに影響し合う機能的生態系とみなすことができると結論づけられる。この相互作用は近年減少しており、両システムで生じた生物多様性の損失を補強している可能性がある。
7. まとめ
最近の研究データから、食習慣、文化、宿主の遺伝学が複雑に影響し合っているにもかかわらず、現代のライフスタイル／環境がヒト腸内細菌叢の形成に最も積極的な原動力となっていることが示されている。土壌（根圏）微生物叢は、ポストハーベスト処理の影響とは別に、明らかに食品の品質と保存に影響を及ぼしている。この観点から、食品に含まれる有益な微生物の生物多様性をどのように保全できるかを実証するために、さらなる研究が必要である。さらに、農法、特に土壌管理の具体的な方法が、現在の食品の品質を改善する可能性がある。
基本的に、最近の知見によれば、土壌と根の微生物叢をより詳細に調査することで、人間の健康への影響が明らかになるかもしれない。畜産物や乳製品の消費を減らし、より多様な栄養繊維や苦味物質を摂取するようなライフスタイルは、私たちの健康に有益な効果をもたらすかもしれない。加工されていない有機栽培の地域産品を多く摂取することは、この目標に向けた一つの方法である。さらに、現在使用されている高収量作物品種の野生近縁種は、地上部および地下部の生物多様性を増加させる可能性があり、その結果、例えば、失われた有益な微生物を再導入することによって、土壌と人間の健康に利益をもたらす。
豊かな土壌微生物群はまた、養分利用効率と吸収率の向上を通じて、陸上生態系にもいくつかの利点をもたらし、植物の収量を向上させるだけでなく、地球規模の気候変動や生物学的ストレス要因に対する植物の抵抗力や回復力を向上させる可能性がある。狩猟採集民の腸内細菌叢は、西洋化された食物で栄養を摂取している人間の腸内細菌叢よりも種の豊富さが高いという事実は、持続可能な土壌利用と人間の健康を促進する農業の実践を主張している。予測される人口動態の変化と環境変化のもとでの食料安全保障については、土地と土壌の生物学的に持続可能な利用を確保することが最も重要である。
8. 結論と展望
土壌はヒトの腸内細菌叢の進化に不可欠であり、有益な腸内微生物の主要な接種者であり供給者である。特に、土壌の根圏とヒトの腸には機能的な類似性がある。しかし、ここ数十年、土壌との接触はほとんど減少し、現代的なライフスタイルや栄養摂取と相まって、腸内細菌叢の枯渇を招き、ヒトの健康に悪影響を及ぼしている。従って、土壌と腸内細菌叢の因果関係を明らかにするために、地理的・機能的関係の研究を増やし、ヒトの健康と環境に貢献することを提案する。
謝辞
著者らは、Hubert E. Blum氏から提供されたアイデア、インプット、原稿に対するフィードバックに深く感謝している。本論文はBOKU Vienna Open Access Publishing Fundの助成を受けている。
資金提供
本研究は外部資金援助を受けていない。
利益相反
著者らは利益相反がないことを宣言する。
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