⼟の中の遺産「根圏ケミカル」をメタボローム解析で明らかに
2020-02-19 国⽴遺伝学研究所
概要
根圏は植物の⽣育や作物⽣産に極めて重要な⼟壌領域であり、根圏の微⽣物叢と植物⽣育のかかわりについて世界的に研究が盛んです。しかし、根圏での植物と微⽣物の相互作⽤に重要な役割を担う「根圏ケミカル(代謝物)」は、⼟壌での安定性・含量が低いことなどにより、⼗分理解が進んでいません。京都⼤学⽣存圏研究所杉⼭暁史 准教授、中安⼤ 同特任助教、情報・システム研究機構 国⽴遺伝学研究所 櫻井望 特任准教授(前所属:かずさDNA研究所メタボロミクスチーム⻑)、東京農⼯⼤学⼤学院農学研究院 藤井義晴 教授、Hossein Mardani Korrani 同研究員、近畿⼤学農学部松⽥⼀彦 教授らの研究グループは、微量なサンプルを⽤いて網羅的に代謝物を解析できるメタボローム解析を⾏った結果、マメ科植物のヘアリーベッチ栽培後の⼟壌に、ペニシリウム属のカビ(Penicillium simplicissimum)をオカラ上で培養したときに得られるオカラミンという殺⾍活性物質の⼀群を⾒出しました。⾃然界でオカラミン類が発⾒されたのはこれが初めてです。さらに、ヘアリーベッチとダイズを 11 年間輪作で育てている圃場においても、ダイズ根圏でオカラミンが殺⾍活性を有する濃度で検出されました。これは、ヘアリーベッチが⼟壌に残したオカラミンやオカラミン⽣合成微⽣物が、「遺産」としてダイズに受け渡され、ダイズの⽣育に有利な環境を作っている可能性が考えられます。今後、オカラミンをダイズなどの作物⽣産へ活⽤することが期待されます。
本研究成果は、2020 年2⽉ 24 ⽇に国際学術誌「Frontiers in Genetics」にオンライン掲載されます。
1.背景
根圏は「根から影響を受ける⼟壌領域」と定義されている根近傍の⼟壌です。根圏は、⼟壌の中でも特に微⽣物が多く存在することが知られており、この微⽣物のコミュニティー(根圏微⽣物叢)は植物の⽣育に密接に関係します。根圏には植物や微⽣物が⽣産する様々な代謝物が存在し、それらの中には根圏での⽣物間相互作⽤にかかわるものも知られています。例えば、マメ科植物の根からは根粒菌との共⽣関係を構築するためのシグナルとしてフラボノイド類が分泌されます。また、植物が体外に放出する化学物質が他の⽣物に影響を及ぼすアレロパシーという現象も知られており、根圏でもこのような物質が作物や⼟壌中の⽣物に影響を与えています。このように⼟壌中の代謝物は様々な働きを持っていますが、⼟壌では代謝物が微量である、不安定である、抽出されにくいなどの問題により解析が難しく、未知の重要な代謝物が眠っていると考えられています。
私たちは⼟壌のブラックボックスである「根圏の代謝物の世界=根圏ケミカルワールド」を解明し、それを作物⽣産に活⽤することを⽬指して研究を進めています。
2.研究⼿法・成果
本研究グループは、⼟壌中の新しい代謝物を探索するために、5種類の⼟壌を⽤いて、微量なサンプルから網羅的に代謝物を解析できるメタボローム解析を⾏い、新規根圏ケミカルを探索しました。その結果、東京農⼯⼤学でヘアリーベッチを栽培した⼟壌が、他の⼟壌と異なる特徴を有することを⾒出しました。この⼟壌中に含まれる代謝物の特徴を詳しく調べたところ、ペニシリウム属のカビ(Penicillium simplicissimum)をオカラ上で培養したときに得られる、オカラミンという殺⾍活性物質の⼀群が⾒いだされました。これをカビの⽣産物から単離した標品と⽐較することによって、ヘアリーベッチ栽培後の⼟壌にオカラミン類(オカラミン A、オカラミン B、オカラミン C)が確かに蓄積していることを明らかにしました。⾃然界でオカラミン類が発⾒されたのはこれが初めてです。
さらに、ヘアリーベッチとダイズを 11 年間輪作で育てている圃場において、ヘアリーベッチの後作で栽培したダイス根圏においてもオカラミンが存在するかを調べたところ、ヘアリーベッチを育てていない畑で栽培したダイズの根圏ではオカラミンが検出されなかったのに対し、ヘアリーベッチ後作で栽培したダイズの根圏ではオカラミンが殺⾍活性を有する濃度で検出されました(次ページ図)。
根圏ケミカルを介した相互作⽤は、同時期に栽培された植物間でのアレロパシーとして知られていました。
今回の発⾒は、ヘアリーベッチが⼟壌に残したオカラミンやオカラミン⽣合成微⽣物が、次作のダイズ根圏で機能することを⽰しています。これは、時を超えて受け継がれる種間の相互作⽤であり、植物が「遺産」として次の世代に植物を守る根圏ケミカルを受け渡していることを⽰唆しています。オカラミンは、昆⾍等の無脊椎⽣物の神経系にしか⾒られないグルタミン酸作動性塩素チャネルに作⽤することで殺⾍活性を発揮します。
このように、昆⾍⾼選択性を⽰す化合物が植物根圏の微⽣物から⽣産され、植物を守る現象は、次代の環境低負荷農業⽣産の進む道を⽰しています。
図 ヘアリーベッチ栽培後の圃場ではダイズ根圏にオカラミンが検出される
3.波及効果、今後の予定
メタボローム解析により⾃然界から同定されたオカラミンは、遺産としてヘアリーベッチからダイズに受け継がれ、ダイズの⽣育に有利な環境を作っていることが推測できます。このような⼟壌環境での代謝物を介した相互作⽤は、農薬や化学肥料の使⽤を削減しつつ、作物の質を安定化させる「頑健性制御」に役⽴つと考えられます。
4.研究プロジェクトについて
本研究は、JST CREST 研究領域「環境変動に対する植物の頑健性の解明と応⽤に向けた基盤技術の創出」の⽀援を受けて⾏われました。
<⽤語解説>(50 ⾳順)アレロパシー
植物が体外に放出する天然の化学物質が他の⽣物(植物、微⽣物、昆⾍、動物など)に、何らかの影響をおよぼす現象。阻害作⽤が顕著であるが、促進作⽤も⾒られることがある。植物が放出した成分が微⽣物等によって変化を受けて作⽤する場合も含まれる。薬⽤植物の成分など⼆次代謝物質の存在意義のひとつである可能性がある。連作障害の要因の⼀つともされるが、有機農業における病害⾍雑草防除にも役⽴つと期待されている。
オカラミン
Penicillium simplicissimumなどの⽷状菌により⽣合成されるインドールアルカロイド化合物で、これまで 18 種の類縁体が発⾒されている。昆⾍や線⾍などの無脊椎⽣物の神経系でのみ発現しているグルタミン酸作動性塩素チャネルに選択的に作⽤し、殺⾍活性を⽰す。ヒトには存在しないタンパク質に結合するため、オカラミンは極めて安全性に優れた天然殺⾍剤として期待されている。
根圏
植物の根から影響を受ける領域と定義されている、根の近傍の⼟壌のこと。植物の種類や⽣育環境によってその領域が異なり、根から何ミリと厳密に定義することは困難である。
根圏微⽣物叢
根圏に⽣息する微⽣物のコミュニティー。⼟壌は多様な微⽣物が存在するが、根圏は植物根からの影響をうけるため、微⽣物の多様性(種類の多さ)が低くなる。その⼀⽅で、微⽣物の量は多い。近年、根圏微⽣物叢を包括的に解析する技術が確⽴されてきたことから、植物の⽣育と根圏微⽣物の関係性が世界的に研究されている。
ヘアリーベッチ
元は牧草として⽜の飼料にしたり、緑肥として化学肥料の代わりに使われてきたヨーロッパ原産のマメ科植物。ソラマメに近縁で寒さに強く、秋に播いて春先にすき込むのが⼀般的な栽培法。耐⾍・耐病性が⾼く、アレロパシー活性が強い。雑草を抑制する成分としてシアナミドが発⾒され、現在⽇本では被覆植物として果樹園の下草管理、緑肥として稲の有機栽培などに普及しつつある。種⼦は⼤⼿種苗会社から販売されている。
メタボローム解析
試料に含まれる数千〜数万の化学成分(分⼦量 1500 程度までの低分⼦化合物)を、⾼感度な質量分析装置などを⽤いて⼀⻫に検出しようとする解析技術のこと。⼟壌だけでなく、⽣物、⾷品など、⾝の周りの試料には、存在は確認できるもののすぐには正体がわからない「未知化合物」も多数含まれており、メタボローム解析はこれら成分の解明と利活⽤にも期待されている。「メタボローム」という語は、⽣体内の代謝物質「メタボライト」と、⼀⻫解析を⽰す語尾「オーム」に由来する。
<研究者のコメント>
メタボローム解析により根圏の新しい代謝物を発⾒することができました。オカラミンは殺⾍活性の⾼い化合物なので、今後、圃場での研究を⾏い、オカラミンが植物⽣育にどのように関係するのかを明らかにし、持続型農業に役⽴つ技術を開発していきたいです。
<論⽂タイトルと著者>
タイトル:Metabolome analysis identified okaramines in the soybean rhizosphere as a legacy of hairy vetch
(ダイズ根圏にヘアリーベッチの遺産としてのオカラミンが存在することをメタボローム解析により発⾒)
著 者:Nozomu Sakurai, Hossein Mardani Korrani, Masaru Nakayasu, Kazuhiko Matsuda, Kumiko Ochiai,Masaru Kobayashi, Yusuke Tahara, Takeshi Onodera, Yuichi Aoki, Takashi Motobayashi,Masakazu Komatsuzaki, Makoto Ihara, Daisuke Shibata, Yoshiharu Fujii, Akifumi Sugiyama
掲 載 誌: Frontiers in Genetics
<お問い合わせ先>
<研究に関するお問合せ先>
杉⼭ 暁史 (すぎやま あきふみ)
京都⼤学⽣存圏研究所・准教授
<報道に関するお問合せ先>
京都⼤学国際広報室
東京農⼯⼤学 企画課 広報係
国⽴遺伝学研究所 リサーチ・アドミニストレーター室 広報チーム
かずさDNA研究所 広報・研究推進グループ
