Endophytic entomopathogenic fungi remodel phyllosphere microbiome and metabolome to suppress Spodoptera frugiperda and enhance parasitoid biocontrol

広大な農業の現場において、植物は単に飢えた昆虫の受動的な犠牲者であるわけではありません。彼らは複雑な化学戦の積極的な参加者なのです。植物が攻撃を受けると、防御化合物を作り出したり、自身の内部化学組成を変化させて、自分自身をより食いにくく、あるいはより毒性の高いものにするなどして反応することがよくあります。しかし、植物はこれらの戦いを単独で行っているわけではありません。彼らは葉の上や組織の中に、マイクロバイオームとして知られる微小な生物のコミュニティを宿しています。これらの小さな住人は、植物の健康に影響を与え、時には成長を促進したり、病気への抵抗力を高めたりします。科学者たちは、強力な化学スプレーに頼ることなく、これらの自然界の同盟軍を利用して作物を守ることができるのではないかと、かねてより考えてきました。有望な一つの道は、植物に害を与えることなくその内部に生息する、エンドファイト（内生菌）として知られる有益な真菌を利用することです。これらの真菌は目に見えないボディガードとして機能し、害虫を混乱させたり弱体化させたりする方法で、植物の内部環境を変化させることができます。

中国の貴州大学の研究者による最近の研究は、これら二つの特定の種類の有益な真菌が、世界の重要な作物であるトウモロコシをツマグロヨトウからどのように守ることができるかを探っています。この害虫は貪欲な食いしん坊であり、世界中に急速に広がり、トウモロコシ畑に甚大な被害をもたらしてきました。研究者たちは、これらの真菌が単に虫を止めることができるかどうかだけでなく、どのようにしてそれを行うのかを理解したいと考えました。彼らはシステム全体を調査しました。トウモロコシの成長、葉の上に生息する微細な細菌や真菌、植物が生成する化学化合物、そしてこれらの変化が害虫と、その天敵である（虫の中に卵を産み付ける小さなハチ）の両方にどのように影響するかを調べました。目標は、これらの真菌が植物をより優れた要塞にし、かつハチにとってより優れた同盟者となることで、発生を制御するための三者間のパートナーシップを構築できるかどうかを確認することでした。

研究者たちはまず、GL-5とH8と名付けられた二種類の異なる真菌株を、若いトウモロコシの苗に導入することから始めました。彼らは、真菌の胞子を含む液体を根の周囲の土壌に注ぐことでこれを行い、真菌が植物の中で成長できるようにしました。苗が成長するにつれて、チームはサイズと健康状態を測定しました。両方の真菌株は、処理を行わなかった植物と比較して、植物をより高く成長させ、根や葉を長く発達させる助けとなりました。処理された植物は目に見えて旺盛に成長しており、これらの微小なゲストが単にそこに住んでいるだけでなく、その宿主が繁栄するのを積極的に助けていることを示唆していました。この初期の成長促進が、研究者たちがツマグロヨトウの幼虫を導入する次の段階への舞台を整えました。

ヨトウが真菌処理された植物を食べたとき、その発達は混乱に陥りました。GL-5株の植物を食べた幼虫は、初期段階の成長に非常に長い時間を要し、多くが成虫になる前に死滅しました。H8処理された植物を食べた幼虫も苦戦し、特に後半の幼虫期や蛹の段階で顕著でした。生き残った幼虫の物理的なサイズも小さくなり、未処理の葉を食べたものよりも体重が大幅に減少しました。なんとか成虫になった幼虫についても、その繁殖能力は著しく阻害されました。GL-5処理された植物を食べた個体は、産卵数が大幅に少なくなり、産卵を開始するまでの時間も長くなりました。本質的に、真菌はトウモロコシを、幼虫の成長を遅らせ、成長を阻害し、子孫を作る能力を低下させる「扱いにくい食事」へと変えてしまったのです。

研究では、これらの結果を説明するために、植物の内部で何が起きているかも調査されました。研究者たちは、真菌がトウモロコシの葉の化学組成を変化させていることを見出しました。GL-5株は、昆虫を寄せ付けないことが知られている特定の防御化学物質、具体的にはフラボノイドやフェノール酸の蓄積を植物に引き起こしました。同時に、真菌は葉の表面に生息する細菌のコミュニティを変化させました。GL-5株は、これらの防御化学物質の生成に関連しているエンテロバクターと呼ばれる特定の種類の細菌の増殖を促進しました。対照的に、H8株は異なる細菌であるクリセオバクテリウムを促進し、植物の糖代謝を変化させました。植物の化学組成と微生物の隣人たちのこうした変化が、ヨトウ自身の内部システムを混乱させました。処理された植物を食べたヨトウは、解毒酵素が過負荷状態になるか、あるいは抑制されることで、毒素の処理に問題を抱え、脆弱になり、適切に発達することができなくなりました。

おそらく最も驚くべき発見は、これらの変化がツマグロヨトウの天敵である、寄生バチの一種であるMicroplitis manilaeにどのように影響したかという点でした。このハチは、宿主の中に卵を産み付けることで虫を狩り、最終的に殺します。研究者たちは、真菌処理された植物がこれらの有益なハチを助けるのか、それとも害するのかを知りたいと考えました。彼らは、GL-5株が実際にハチの効果を高めることを発見しました。ハチがGL-5処理された植物を食べた虫を狩ることを許可されたとき、ハチはより多くの虫に寄生することに成功し、ハチの蛹（コクーン）はより重く、より強固になりました。これは、植物の変化が虫をより容易な標的にしたことを示唆しており、おそらく虫を弱体化させたか、あるいは虫が発する信号を変化させたためと考えられます。しかし、H8株はハチに対して同様の利益をもたらさず、異なる真菌株がエコシステム全体に対して非常に具体的で明確に異なる影響を与えることを浮き彫りにしました。

研究は、これらのエンドファイト（内生菌）が害虫管理のための強力なツールであるが、使用する菌株によってその働き方が異なることを結論付けています。GL-5株は、複合的な戦略において優れた選択肢であるようです。なぜなら、それは害虫を直接弱体化させるだけでなく、害虫を制御するのを助ける自然の捕食者のパフォーマンスをも高めるからです。植物の内部化学組成と葉の微生物コミュニティを再形成することで、これらの真菌は、害虫が生存と繁殖に苦しみ、一方でその天敵が繁栄する環境を作り出します。この研究は、農家が重い化学的介入を必要とせずに、植物、真菌、昆虫、そして細菌の間の複雑な関係を利用して、健全な畑を維持するための、マイクロスコピックな同盟軍を利用できる未来の一端を垣間見せてくれます。今回の知見は、これらの相互作用がどのように機能するかという明確なメカニズムを提供しており、農業における最も破壊的な害虫の一つと戦うための、より持続可能で効果的な方法への道を切り開いています。