Tomato genomic regions and candidate genes linked to responses to a resistance inducer against Phytophthora infestans

農業の世界において、農家は長年、作物を破壊する病害を防ぐために化学スプレーに頼ってきました。最も執拗で破壊的な敵の一つは、「疫病」を引き起こすフィトフトラ・インフェスタンスス（Phytophthora infestans）と呼ばれる微小な生物です。この病原体は、トマトやジャガイモの収穫を恐ろしい速さで全滅させることがあります。数十年にわたり、その解決策は「火には火を」という考え方で、合成殺菌剤や銅ベースの製品を使用することでした。しかし、細菌が抗生物質に生き残る方法を学習するように、これらの病原体も最終的には、自分たちを殺そうとする化学物質に対して耐性を獲得するために進化します。この軍拡競争により、科学者たちは植物を保護するための、よりスマートで持続可能な方法を探求することを余儀なくされました。病原体を直接毒殺する代わりに、研究者たちは植物自身の免疫システムを盾に変える戦略を模索しています。このアプローチは、自然由来の物質である「抵抗性誘導物質」を用いて、攻撃が起こる前に植物の防御機能を「目覚めさせる」ものです。これは植物に対するワクチンのようなものであり、侵入者をより効果的に認識し、撃退できるように訓練するのです。しかし、大きな謎が残っています。すべての植物がこの訓練に対して等しく反応するわけではないということです。ある品種はブーストを完璧に吸収するようですが、他の品種はほとんど反応せず、農家は最高の保護を得るためにどの種を植えるべきか確信が持てなくなっています。

フランスのINRAEの研究チームは、特定の天然処理剤であるベルビン（Belvine®）に対して、なぜ異なるトマトの品種がこれほどまでに異なる反応を示すのかという謎を解明するために調査を行いました。酵母由来であるこの製品は、ブドウのベト病対策としてすでに使用が承認されていますが、トマトに対する潜在的な効果についてはあまり理解されていませんでした。科学者たちは、この治療の効果の差が単なる運によるものなのか、それとも植物の遺伝コードに書き込まれているものなのかを知りたいと考えました。答えを見つけるために、彼らは、小さなチェリートマトから大型の商業用タイプまで、148種類の多様なトマト品種を集め、実際の環境下にあるプラスチック製のトンネル内で栽培しました。植物の半分にはベルビンを投与し、残りの半分は未処理のままにし、その後、すべての植物を疫病の病原体にさらしました。各葉における病気の発生度を注意深く測定することで、治療がどれほどの保護を提供したかを、一品種ごとに正確に算出することができました。

結果は、農家が疑っていた通りでした。治療は効果がありましたが、その成功はトマトの具体的な種類に完全に依存していました。平均して、ベルビン処理は病気の深刻さを90パーセント近く減少させており、これは驚くべき改善です。しかし、保護のレベルは品種によって大きく異なっていました。処理後のトマトの中には、感染の兆候が全く見られないほど完全に病気に対して免疫を持つものもあれば、部分的な保護しか得られないものもありました。この幅広い結果は、治療に対する反応能力が、身長や果実の色と同じように、世代を超えて受け継がれる形質であることを示唆していました。これを証明するために、研究者たちは「反応の遺伝率」、つまり、植物間の差異のうち、どの程度が環境ではなく遺伝子に起因するかという指標を算出しました。その結果、遺伝子が極めて大きな役割を果たしており、植物がどれほど良く保護されるかの変動の半分以上を占めていることが判明しました。これは極めて重要な発見であり、育種家が、天然の防御機能をより良く活用できるトマトを選択できる可能性があることを裏付けるものでした。

遺伝的基盤が確認されたため、チームは次のステップ、すなわち、この変動の原因となっているトマトゲノムの特定の部分を見つける作業へと進みました。彼らは、植物のDNA全体をスキャンして、病気への保護の違いと一致する微細な差異を探す強力な手法である「ゲノムワイド関連解析（GWAS）」を用いました。この探索により、トマトの染色体上に、治療の有効性と関連する5つの明確な領域が見つかりました。これらの領域は、染色体2、3、4、および12に位置していました。これらの遺伝的近傍において、研究者たちは、おそらく植物の反応を制御していると思われるいくつかの候補遺伝子を特定しました。これらの遺伝子には、脅威を検知するセンサーとして機能するタンパク質を作る指示や、アラーム信号を送るのを助けるタンパク質、そして病原体に対する物理的な障壁を構築する酵素などが含まれていました。興味深いことに、これらの遺伝子のいくつかは、治療によって活性化されることが知られている遺伝子、例えば、真菌の細胞壁を分解する酵素や酸化ストレスを管理する酵素などを生成する遺伝子と同じものでした。

また、この研究は環境も重要であることを強調しました。一部の遺伝領域はすべての条件下で重要でしたが、他の領域は特定のトンネルや季節においてより重要であるように見え、これは、農家にとっての最適な遺伝的マッチングが、現地の気候に依存する可能性があることを示唆しています。研究者たちは単に場所を見つけただけでなく、その場所にある遺伝子の機能についても調べました。最も効果的なトマトは、ベータ-1,3-グルカナーゼやグルタチオン-S-トランスフェラーゼといったタンパク質をコードする特定のバージョンの遺伝子を持っていることがわかりました。これらは、アラームが鳴った後に植物が感染と戦うために使用するまさに道具です。最も反応性の高い植物がこれらの特定の遺伝的ツールを持っているという事実は、育種プログラムがこれらの形質を選択することに焦点を当てられることを示唆しています。どのトマト品種が天然の防御スプレーと最もよく機能するかを推測する代わりに、育種家は、強力な反応を保証する特定の遺伝マーカーを探すことができるのです。

この研究は、トマトが抵抗性誘導物質にどの程度反応するかを決定する遺伝領域を、科学者がマッピングした初めての事例です。これまでは、植物のDNAが天然の治療による恩恵を受ける能力を左右するという考えは、主に理論上のものに過ぎませんでした。今や、これらの具体的な遺伝的ターゲットが特定されたことで、農業の進むべき道はより明確になりました。農家と育種家は協力して、それ自体が病気に強いだけでなく、天然のブーストを与えられたときにより強く戦えるように準備された新しいトマト品種を開発することができます。このアプローチは、化学殺菌剤への依存を減らす方法を提供し、農業における最も古く、かつ最も破壊的な問題の一つに対して、より耐久性があり環境に優しい解決策を提示しています。この研究は、疫病の問題を完全に解決したと主張するものではありませんが、次世代の回復力のある作物を生み出すために必要な不可欠な地図を提供したのです。