From teosinte to modern maize: domestication and crop improvement reshape the endophytic microbiome

あらゆる植物はその組織の中に、根や葉の中に生息する細菌や真菌の活気あるコミュニティという、隠された世界を抱えています。これらの微小な隣人たちは単なる乗客ではありません。彼らは植物が栄養分を集め、ストレスに耐え、病気から身を守るのを助ける不可欠なパートナーなのです。何世紀もの間、人類は種子の大きさや収穫量の高さといった形質を選別することで、作物の進化を形作ってきました。「栽培化」として知られるこのプロセスは、野生の祖先を、今日私たちが食べている現代の品種へと変貌させました。しかし、植物の遺伝子が変化するにつれ、一つの重要な疑問が残りました。その植物の中に住む目に見えないコミュニティには何が起きたのだろうか、という問いです。より優れたトウモロコシを育てるために用いた同じ力が、それを生き延びさせるのを助ける微生物のパートナーをも変えてしまったのでしょうか。この関係を理解することは極めて重要です。なぜなら、もし現代の農業が意図せずして作物から有益な微生物を奪ってしまったのだとしたら、私たちは、より強靭で持続可能な農業を築くための鍵となるツールを見落としている可能性があるからです。

研究チームは、トウモロコシの野生の祖先から今日の高収量ハイブリッドに至るまでの内部の微生物の歴史を辿るべく、調査を開始しました。彼らは、野生の草であるテオスリンテ、農家によって世代を超えて栽培されてきた伝統的な品種、そして科学的に育種された現代の系統といった、トウモロコシの進化の全スペクトラムを代表する種子を集めました。公平な比較を行うため、彼らはこれらすべての異なる種類の植物を、同一の土壌と管理条件下で同じ温室の中で育て、内部の微生物の違いが環境ではなく植物自身の遺伝子に起因するようにしました。彼らは各植物から葉と根を注意深く採取し、表面を滅菌して、内部に生息する微生物のみを研究していることを確実にすると、DNAを配列解析して、どのような細菌や真菌のコミュニティが存在し、どの程度多様であるかを確認しました。

結果は、トウモロコシが野生から現代の畑へと移行するにつれて、喪失と変化の明確なパターンがあることを明らかにしました。野生のテオスリンテと伝統的な在来種は、特に真菌において、最も豊かで多様な微生物のコミュニティを宿していました。対照的に、改良された現代のトウモロコシ系統は、組織内に保持する微生物の種類が著しく減少していました。興味深いことに、伝統的な在来種と現代の系統を交配して作られたハイブリッドは、真菌の多様性に驚くべき向上を示しました。これは、遺伝的背景を混ぜ合わせることが、何世紀にもわたる育種中に失われた微生物の豊かさを取り戻す助けになる可能性を示唆しています。研究者たちは、植物内の場所が最も重要であることを発見しました。根の中に住むコミュニティは葉の中のものとは根本的に異なり、植物の種類に関わらず明確なグループを形成していました。しかし、これらの特定の場所においてさえ、トウモロコシの種類が重要でした。野生の植物は、栄養循環や成長を助けることで知られる細菌や真菌の住処となっていましたが、現代の品種は、管理された農地に多く見られる異なるグループの微生物が支配的でした。

この変化は、単に誰が存在するかという変化だけでなく、そのコミュニティが何を成し遂げられる可能性が高いかという点においても変化でした。野生のトウモロコシの内部にいる微生物は、植物が環境と相互作用し、自然にストレスを管理するのを助ける化合物を作り出す能力において、より優れているようでした。しかし、現代のトウモロコシの微生物は、病原性を持つものや攪乱された環境で繁栄するものが多い、人間が管理する世界で生き残ることに適した機能的プロファイルを示していました。この研究は、植物組織の物理的な場所がこれらのコミュニティを形成する最も強力な力である一方で、植物自体の歴史――それが野生の草であるか現代のハイブリッドであるか――が、その内部のエコシステムの多様性と機能を静かに作り変えてきたことを示唆しています。これらの知見は、野生の近縁種や伝統的な品種が微生物の多様性の貴重な貯蔵庫であることを指し示しており、作物と微小な盟友との間の有益なパートナーシップを回復させたいと考えている育種家たちに、前進するための道筋を提供しています。