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菌糸体（複数形：菌糸体）[ a ]は、分岐した糸状の菌糸の塊からなる菌類の根のような構造です。[ 1 ]通常の形態は、分岐した細長い絡み合った吻合する透明な糸です。[ 2 ]菌糸体からなる菌類のコロニーは、土壌やその他多くの基質の中や上に見られます。典型的な単一の胞子は単核菌糸体に発芽しますが、[ 1 ]有性生殖はできません。適合する2つの単核菌糸体が結合して二核菌糸体を形成すると、その菌糸体はキノコなどの子実体を形成することがあります。[ 3 ]菌糸体は微小で、小さすぎて見えないコロニーを形成する場合もあれば、 Armillariaのように数千エーカーに及ぶ場合もあります。
菌類は菌糸体を通して周囲の環境から栄養分を吸収します。この過程は2段階で行われます。まず、菌糸が栄養源の表面または内部に酵素を分泌し、生物高分子をモノマーなどのより小さな単位に分解します。次に、これらのモノマーは促進拡散と能動輸送によって菌糸体に吸収されます。
菌糸体は、植物物質の分解において重要な役割を果たすため、陸上および水生生態系において不可欠です。菌糸体は土壌の有機物成分に寄与し、その成長によって二酸化炭素が大気中に放出されます（炭素循環を参照）。外生菌根菌の菌糸体、およびアーバスキュラー菌根菌の菌糸体は、ほとんどの植物の水と栄養素の吸収効率を高め、一部の植物病原体に対する抵抗性を与えます。菌糸体は、多くの土壌無脊椎動物にとって重要な食料源です。菌糸体は農業に不可欠であり、ほぼすべての植物種にとって重要であり、多くの種が菌類と共進化しています。菌糸体は、一部の植物の健康、栄養摂取、および成長の主要な要因であり、植物の適応度の主要な要因です。
菌糸のネットワークは水[ 4 ]と電位スパイク[ 5 ]を輸送することができる。
菌核とは、菌糸が密集して硬い塊のことである。
生態系における菌類の主要な役割の一つは、有機化合物を分解することです。石油製品や一部の農薬（典型的な土壌汚染物質）は有機分子（つまり、炭素構造を持つ）であり、菌類にとって潜在的な炭素源となります。したがって、菌類は、これらの化学物質が菌類にとって毒性を示さない限り、環境からこれらの汚染物質を除去する可能性を秘めています。この生物学的分解プロセスは、菌類による環境浄化（マイコレメディエーション）として知られています。
菌糸マットは、土壌や水から化学物質や微生物を除去する生物学的フィルターとしての可能性を秘めていると考えられている。この目的を達成するために菌糸体を利用する方法は、菌糸濾過と呼ばれている。
菌根菌と植物の関係についての知識は、作物の収量を向上させる新しい方法を示唆している。[ 6 ]
伐採道路に菌糸を広げると、菌糸は結合剤として働き、攪乱された新しい土壌をその場に保持し、木本植物が根を張るまで土砂流出を防ぐことができる。
菌類は、バイオマスを堆肥に変換する上で不可欠であり、他の多くの堆肥化微生物では分解できないリグニンなどの原料成分を分解します。 [ 7 ]裏庭の堆肥の山をかき混ぜると、内部の腐敗した有機物に形成された菌糸のネットワークが目に見えるようになります。堆肥は、有機農業や園芸にとって不可欠な土壌改良材および肥料です。堆肥化によって、都市固形廃棄物のかなりの部分を埋立地から転用することができます。[ 8 ]
ポリスチレンやプラスチック包装の代替品は、農業廃棄物で菌糸体を培養することによって生産できる。[ 9 ]菌糸体は家具や人工皮革の材料としても使用されている。[ 10 ]
菌糸体の主な商業用途の1つは、人工皮革の製造に利用することです。ポリエステルやポリ乳酸などの高分子材料を使用して人工皮革の特性を向上させると、材料の生分解性に悪影響を与える可能性があります。[ 11 ]
固体発酵では、菌糸体は、おがくずなどの林業バイオ製品上で、高濃度の二酸化炭素と制御された湿度および温度の環境下で培養されます。粒子床の上に形成された菌糸体マットは、脱水、化学処理され、所望の厚さに圧縮され、パターンが刻まれます。[ 11 ]
菌糸体は、軽量で生分解性の構造を持ち、廃棄物から培養できる能力があるため、持続可能な建築の有力な候補です。さらに、菌糸体は、従来の建築材料と比較して、強度対重量比が比較的高く、製造時のエネルギー消費量がはるかに少ないという利点があります。菌糸体は培養された型の形状に沿うため、特に建築的または美的要素として使用される場合には、カスタマイズの目的にも有利です。また、現在の研究では、菌糸体は集成材と同様の炭化効果を持つため、火災時に有毒な樹脂を放出しないことが示されています。菌糸体は、1500 Hz 以下の周波数で 70 ～ 75% の吸音率を誇る遮音材としての役割も果たします。[ 12 ]
菌糸体バイオ複合材料は、その低密度を主な理由として、従来の材料よりもはるかに高い強度対重量比を実現しており、構造用途において大きな可能性を秘めています。従来の建築材料と比較して、菌糸体には魅力的な代替材料となる多くの望ましい特性があります。例えば、熱伝導率が低く、高い遮音性を発揮します。また、生分解性があり、製造時のエネルギー消費量もはるかに少なく、炭素吸収源としても機能するため、菌糸体バイオ複合材料は、建築に伴う排出物、エネルギー、廃棄物の問題に対する解決策となる可能性があります。
菌糸体は構造材料としての可能性を秘めているものの、大規模プロジェクトで実用化するのが困難な重大な欠点がいくつかある。まず、菌糸体自体の圧縮強度は0.1～0.2 MPaとそれほど高くない。[ 13 ]これは、通常17～28 MPaの圧縮強度を持つ従来のコンクリートとは大きく異なる。さらに、菌糸体は生物材料とみなされるため、環境条件に左右される特定の要件がある。例えば、生存するためには一定の空気源が必要であり、生育には比較的湿度の高い環境が必要で、汚染や腐敗の恐れがあるため大量の水にさらすことはできない。
3 種類の異なる菌類 ( Colorius versicolor、Trametes ochracea、Ganoderma sessile ) を 2種類の基質(リンゴとブドウ) と別々に混合し、菌糸体の特定の機械的特性を定量化するために、別々の培養条件下で試験した。これを行うために、サンプルを型で培養し、12 日間かけて乾燥させた。サンプルはASTM C272ガイドラインを使用して吸水率を試験し、 EPS材料と比較した。均一なサイズのタイルを製作した型から切り出し、1 mm/min の速度で Instron 3345 マシンに投入し 、20% の変形に達するまで試験した。[ 14 ]
4段階のプロセスを通して、さまざまな基質と菌類の混合物の影響が、菌糸体の密度、吸水率、圧縮強度などの特性とともに調査されました。サンプルは2つの異なる培養方法に分けられ、色、質感、成長の違いが検査されました。各培養方法内の同じ菌類については、最小限の違いが記録されました。しかし、同じ菌類内の異なる基質混合物間では、着色と外部成長が試験サンプル間で異なりました。有機物の損失は計算されましたが、使用された基質と材料の化学的特性との間に均一な相関関係は見つかりませんでした。各基質と菌類の混合物について、平均密度は174.1 kg/m 3から244.9 kg/m 3の範囲であり、Ganoderma sessile菌類とリンゴ基質の組み合わせが最も高密度でした。圧縮試験では、Ganoderma sessile菌類とブドウ基質が試験したサンプルの中で最も高い強度を示しましたが、数値は提供されていません。[ 14 ]参考までに、周辺文献では1～72 kPaという概算値が示されている。これに加えて、菌糸体の熱伝導率は0.05～0.07W/m·Kであり、これは一般的なコンクリートの熱伝導率よりも低い。[ 15 ]
菌糸体構造の構築は、主に 3 つのアプローチに分類されます。これらには、型枠内でブロックを栽培する方法、現場で一体構造を栽培する方法、およびバイオ溶接ユニットが含まれます。最初のアプローチでは、菌糸体とその基質を型枠内で栽培し、その後オーブンで乾燥させてから現場に輸送して組み立てます。2 番目のアプローチでは、既存の型枠を使用し、現場打ちコンクリート技術を応用して、現場で一体型の菌糸体構造を栽培します。3 番目のアプローチは、前の 2 つの方法のハイブリッドで、マイコ溶接と呼ばれ、個々の事前に栽培されたユニットを一緒に栽培して、より大きな一体構造にします。[ 13 ]
菌糸体培養法と菌糸体溶接法を用いた研究では、菌糸体の培養方法や建設における型枠の再利用方法、ポストテンションおよび摩擦接合について検討されてきた。製造に関する研究では、菌糸体構造の構築において直面するいくつかの共通の課題が明らかになったが、そのほとんどは菌類の成長に関連している。生きた材料を型枠内で培養することは困難であり、適切に滅菌しないと汚染されやすい。菌類は硬化を防ぎ、成長と基質消費を適切に管理するために冷蔵保存する必要がある。さらに、菌類の成長の厚さは酸素の存在によって制限される。酸素がない場合、成長の中心部が死滅したり汚染されたりする可能性がある。[ 13 ]
研究者らは、菌糸体バイオ複合材料の環境影響を評価するためにライフサイクルアセスメントを実施しました。ライフサイクル分析により、菌糸体は炭素吸収材として、また従来の建築材料に代わる持続可能な代替材料として実現可能であることが示されました。[ 12 ] 菌糸体を天然接着剤として使用すると、菌糸体を用いて作られる菌類ベースの複合材料は低コスト、低排出、持続可能であるため、環境上の利点が得られる可能性があります。これらの複合材料には幅広い用途があり、その多くは建設や包装など、深刻な環境汚染を引き起こす産業で使用されています。[ 16 ]
現代の建築材料や包装材料は工業的に製造され、リサイクル不可能で、環境汚染を引き起こします。木材製品は深刻な森林破壊や気候変動を引き起こし、セメントは生分解性がなく、製造時と解体時の両方で大量の排出物を発生させます。菌糸体は、これらの代替品よりも安価で持続可能性が高いようです。[ 16 ]
菌糸体の接着性は、特定の物質同士を結合させる能力があるため、その多様な用途に大きく貢献している。これらの特性は、菌糸体が有機基質を分解・コロニー形成するための腐食性酵素を分泌する生物学的プロセスによって生じる。分解の過程で、菌糸体は有機基質内で融合する細い糸の密なネットワークを形成し、複数の基質を結合できる固体物質を作り出す。菌糸体のこの自己組織化特性は非常にユニークであり、有機廃棄物を含む幅広い有機物上で菌糸体が成長することを可能にする。[ 16 ]
植物は、菌根菌によって生成される菌類ネットワークである菌糸体を用いて生態系内でコミュニケーションをとっているようです。[ 17 ]菌糸体ネットワークは土壌バイオマスの20～30%を占めていますが、従来のバイオマス測定では検出できません。植物の約83%は、根系の延長として菌糸体と共生関係にあるようで、依存度は様々です。[ 18 ]一部の推定では、菌糸体ネットワークは宿主植物の光合成出力の10%以上を受け取っています。 [ 19 ]
この共生関係は、菌糸が植物の菌糸に感染して付着し、細胞壁を貫通するものの膜を通って植物の細胞質には入らない菌糸の結合によって開始されます。菌糸は、栄養素の交換媒体として機能し、電気生理学的信号の送受信を可能にする電気勾配を生成することができる周アーバスキュラー膜で細胞と相互作用します。[ 17 ]モデル研究では、異なる菌類が異なるレベルの栄養素と成長促進物質を供給し、植物は、植物の成長に不可欠なリンと窒素の大部分を供給する菌類に向かって根を張る傾向があります（したがって、感染します）。[ 20 ]
菌根菌糸体共生は、劣った競争者を促進することで、同種個体間の競争を激化させる一方で、種間の競争を緩和し、ネットワーク内の植物の多様性を促進する可能性がある。[ 17 ]菌根菌は、異なるネットワークや異なる種類の菌根菌のニッチ分化という複雑さを増しながら、群集生態学を促進する。菌根菌は、異なる深さに根を張り、異なる有機化合物や栄養素を散布し、特定の植物種と独自の相互作用を持つ。[ 17 ]
いくつかの研究では、菌糸ネットワークの記憶能力と特定の環境条件への適応性が記録されています。菌糸はさまざまな気候で異なる機能に特化しており、ヒト病原菌であるカンジダ・アウリスなどの他の生物と共生関係または病原関係を発達させています。カンジダ・アウリスは、適応選択（菌類の学習と記憶のプロセス）を通じてヒト好中球による検出を回避する独自のアプローチを発達させています。[ 21 ]さらに、これらの機能は菌糸の規模と共生関係の性質に基づいて変化する可能性があります。菌類と植物の間の片利共生関係と相互関係は、菌根共生と呼ばれる別のプロセスを通じて形成されます。さらに、菌糸が菌糸ネットワークに組織化されることは、バイオマス保持、水のリサイクル、望ましい栄養勾配に向かって資源効率の良いアプローチで将来の菌糸を拡大すること、および菌糸ネットワーク全体にこれらの資源を分配することなど、さまざまな機能にとって決定的なものとなる可能性があります。[ 22 ]巨視的なスケールでは、多くの菌糸体は「幹」または主菌糸体からより小さな「枝」が分岐する一種の階層構造で機能しています。腐生性の担子菌の中には、方向性のある栄養勾配に関する過去の決定を記憶し、将来の菌糸体をその方向に構築できるものもあります。[ 23 ]
菌糸体の集合知能に関する現在の研究は限られており、多くの研究で記憶や菌糸体ネットワークを介した電荷の交換が観察されているものの、これらのネットワークで感覚データがどのように処理されるかについて結論を出すには証拠が不十分である。しかし、糸状菌の耐熱性の向上に関するいくつかの例は、記憶と刺激への曝露との間にべき乗則の関係があることを示唆している。[ 24 ]菌糸体は、抗生物質やその他の細胞外ストレス因子によって生涯のうちに遺伝子構造を編集する能力も示しており、C. aurisのような耐性遺伝子の急速な獲得を引き起こす可能性がある。[ 21 ]さらに、変形菌類粘菌も同様の情報共有方法を示しており、菌糸体と粘菌の両方が凝集とシグナル伝達に cAMP 分子を利用している。[ 22 ]
菌核は硬化した菌糸の塊です。長年にわたり、菌核は個々の生物と誤認され、別種として記述されていました。しかし、19 世紀半ばに、菌核は多くの菌類の生活環の一段階にすぎないことが証明されました。菌核は、暗色の細胞を持つ厚く密度の高い殻で構成されています。菌核には油などの菌糸の緊急供給物が豊富に含まれており、少量の水分を含んでいます。乾燥した環境でも成長能力を失うことなく何年も生き残ることができます。菌核の大きさは、直径が 1 ミリメートル未満から数十センチメートルまで様々です。[ 25 ]
脚注
引用文献
