From genetic diversity to biosynthetic potential: genome mining of endophytic Alternaria alternata isolates from medicinal plants in Iran

植物の中に隠された化学工場

植物を単なる静止した自然の一部としてではなく、活気あふれる都市として想像してみてください。その葉や茎の壁の内側には、「エンドファイト（内生菌）」と呼ばれる、微小な住人たちがひっそりと暮らしています。パンを腐らせたり、くしゃみを出させたりするような菌とは異なり、エンドファイトは健康な植物の中で、植物を病気にさせることなく静かに暮らしています。何十年もの間、科学者たちは、これらの隠れたゲストが実は熟練の化学者であり、病気と戦ったり、より良い作物を育てたりするためのユニークな「秘伝の薬」を醸造しているのではないかと疑ってきました。しかし、一つ問題があります。見た目が違うからといって、必ずしも異なる化学物質を作っているとは限らないのです。それは、二人のシェフが全く異なる外見をしていても、実は全く同じレシピ本を使っている可能性があるようなものです。

これを見極めるために、研究者は主に二つのツールを使用します。第一に、彼らは菌の「身分証明書」（DNA）を見て、それが本当は何者であるかを確認します。第二に、「ゲノムマイニング」を用います。これは、図書館のカタログをスキャンして、たとえ今その料理を作っていなくても、その菌が「作る可能性のある」レシピ（遺伝子）が何であるかを確認するような作業です。大きな疑問はこうです。これら小さな菌の住人たちは、住んでいる植物によって変化する多様なレシピセットを持っているのでしょうか？ それとも、住処がどこであれ、皆が同じ巨大で強力な料理本を持ち歩いているのでしょうか？ これを理解することは、新しい菌を探すためにあらゆる植物を探索する必要があるのか、それとも次の画期的な薬を見つけるために一つの種類を研究するだけで十分なのかを知る助けとなります。

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「アルテルナリア」菌の秘密のレシピ本

最近の研究で、モスタファ・エバディという研究者が、非常に一般的な菌である「アルテルナリア・アルテルナータ（Alternaria alternata）」の遺伝的なキッチンの中を覗き見ること decided しました。この菌は、イランの東アゼルバイジャン州にある6種類の異なる薬用植物の中で発見されました。植物には、セージ（Salvia nemorosa）、アザミに似た植物（Gundelia tournefortii）、タマリックス（Tamarix ramosissima）、そして他に Alhagi maurorum、Alcea rosea、Zygophyllum fabago の3種が含まれていました。

まず、科学者はすべての菌が実際に同じ種であることを確認しなければなりませんでした。異なる植物の中で発見されたとしても、顕微鏡で見るとすべて似ていたからです。確実に判断するために、研究者はDNAの特定の領域（ITS1領域と呼ばれます）を読み取りました。結果は明白でした。14個の菌の分離株はすべて、間違いなく Alternaria alternata でした。それらは緊密な家族グループを形成しており、この一種が変装の名手であり、全く異なる科の植物に喜んで住み着いていることを証明しました。

次に、本当の探偵作業である「ゲノムマイニング」が行われました。研究者は、すべての菌のDNAを配列解析したわけではありません（それには膨大な時間と費用がかかるため）。代わりに、公開されている Alternaria alternata の「リファレンス・ゲノム」を代用として使用しました。この遺伝的な設計図を、antiSMASHと呼ばれる強力なコンピュータプログラムに通しました。このプログラムは、化学レシピのスペルチェッカーのように機能します。プログラムはゲノムをスキャンし、「生合成遺伝子クラスター（BGC）」を探し出しました。これらは、菌が複雑な化学物質を作り出すために使用する、具体的な一連の指示書です。

結果は驚くべきものでした。コンピュータは、この菌のゲノムの中に合計42個の異なる遺伝子クラスターを発見しました。これを比較するために言えば、他の多くの菌は20から35個しか持っていません。このことは、Alternaria alternata が化学的な力を持つ存在であることを示唆しています。42個のクラスターは、以下のような特定のタイプの「レシピ」に分類されました：

• 10 個は、アルテナリオールやアルテヌエーンのようなものを作ることができる「タイプI ポリケチド合成酵素（T1PKS）」のためのもの。
• 8 個は、テヌアゾニック酸のような化合物を作ることができる「非リボソームペプチド合成酵素（NRPS）」のためのもの。
• 4 個は、これら前述の二つのタイプを組み合わせた「ハイブリッド」クラスター（T1PKS-NRPS）であり、フモニシンのような複雑なものを作る可能性があります。
• 6 個は、通信に使われる揮発性の香りである「テルペン」のためのもの。
• 3 個は、鉄を掴むための道具である「シデロフォア」（具体的にはフェリクローム様）のためのもの。
• 2 個はインドール、2 個はベータラクトンのためのもの。
• 残りの7 個は、未知またはその他の機能を持つ混合タイプでした。

これらのクラスターは、菌が多くのことを行うことを可能にすると研究は示唆しています。例えば、他の微生物と戦う（抗菌作用）、植物を助けるために土壌から鉄を掴む（シデロフォア）、あるいは化学信号を送る（テルペン）といったことです。アルテナリオールのような予測される化学物質の中には毒性を持つものもありますが、健康な植物の中では、菌はホスト（宿主）を傷つけないように、これらの「武器」をオフの状態にしている可能性があります。

ここで最も興味深い展開があります。非レシピ部分のDNAを見ると、この菌は多くの遺伝的多様性（異なる「個性」やDNAマーカー）を示しているにもかかわらず、その「レシピ本」自体は全員にとって同じであるようです。研究は、これら42個のコア遺伝子クラスターは保存されており、どの植物に住んでいるかにかかわらず、すべての分離株に存在していることを示唆しています。それはまるで、すべての Alternaria alternata が、セージの植物に住んでいようとタマリックスの木に住んでいようと、全く同じ42冊の巨大な図書室を持ち歩いているかのようです。菌の間の遺伝的な違いは、実際のレシピではなく、図書館の「余白」や「装飾」にあるようです。

研究者は、遺伝子が見つかったからといって、その菌が現在実際にその化学物質を作っていることが保証されるわけではないと指摘しています。それは、キッチンに料理本があるからといって、今夜夕食を作ると決まったわけではないのと同じです。天候が変わったり、植物が合図を送ったりした時にだけ料理を作るのかもしれません。しかし、潜在的なレシピの数（42個）があまりにも多いことは、この菌が将来、新しい薬や農業ツールを見つけるための非常に有望な候補であることを示しています。研究の結論として、Alternaria alternata は単なる受動的なゲストではなく、探索の準備ができている巨大で安定したツールキットを持つ、代謝的なパートナーなのです。