Complementary approaches of in vitro, in silico and whole genome analyses confirm that in situ similis culturomic strategies uncover greater taxa diversity and PGP functions of tomato microbiota
本研究は、in situ similis培養戦略をin vitro、in silico、および全ゲノム解析と組み合わせることで、多機能な植物成長促進特性およびストレス耐性を備えた多様な新規トマト微生物叢分離株を、成功裏に明らかにできることを実証しており、それによって農業における合成コミュニティ開発のための有望な候補を特定している。
原論文は CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは査読を受けていないプレプリントのAI生成解説です。医学的助言ではありません。この内容に基づいて健康上の判断をしないでください。 免責事項の全文を読む
植物は決して単独で生きているわけではありません。植物の周囲には、葉の上や根の中、さらには組織の内部にまで生息する、細菌や真菌による広大で目に見えない世界が存在しています。この微生物のコミュニティは、単なる同居人ではありません。それは不可欠なパートナーなのです。これらの微生物の中には、天然の肥料として機能し、植物が土壌から栄養分を吸収するのを助けるものもあれば、成長を促すホルモンを生成したり、病気に対する盾を作ったりするものもいます。近年、科学者たちは、私たちの食料作物の健康が、これら隠れた味方たちに大きく依存していることに気づきました。しかし、一つの大きな問題が私たちの理解を妨げてきました。それは、ほとんどの有益な微生物が、研究所で使用される標準的なシャーレ（ペトリ皿）では増殖することを拒むという点です。数十年もの間、研究者は捕まえやすいごくわずかな細菌を研究することしかできず、植物の真のパートナーである大多数の微生物を暗闇の中に置き去りにしてきました。
この問題を解決するために、研究チームは「in situ simulis」培養と呼ばれる巧妙な新しいアプローチに目を向けました。細菌に人工的で化学合成された餌を与えて無理に増殖させる代わりに、科学者たちは植物から直接採取した材料を使用しました。彼らは野菜のディスクや植物の抽出液を用いて培養培地を作成し、本質的に、微生物に対して彼らの自然な住処と同じ見た目と味を持つメニューを提供したのです。この手法により、これまで頑固だった多くの細菌を増殖させることに成功し、かつてないほど豊かで多様なコミュニティを明らかにすることができました。研究者たちは、塩害のある土壌、干ばつ、極端な熱といった脅威に常にさらされている作物であるトマトに焦点を当てました。彼らは、この新たに発見された細菌の多様性が、トマトが過酷な条件下で生き残るのを助けるための、新たな範囲の有益な能力も伴っているのかどうかを知りたいと考えたのです。
チームは、これらの植物ベースの手法を用いて分離された20種類の異なる細菌株を取り上げ、植物にとって優れたパートナーとなる特定の形質を探しました。これらの形質には、植物の成長を助ける天然ホルモンであるインドール-3-酢酸の生成能力、土壌の中に閉じ込められがちな2つの必須栄養素であるリンとカリウムを溶かす能力、そして植物が利用できる窒素の一形態であるアンモニアを放出する力が含まれていました。また、彼らは、塩水の中や水が不足している環境（干ばつのストレスを模したもの）において、これらの細菌がどの程度生存できるかもテストしました。
結果は驚くべきものでした。テストされた20種類の細菌のうち、14種類が成長ホルモンを生成でき、13種類がリンを溶かすことができました。6種類はカリウムを解き放むことに特に優れていました。10種類の菌株はアンモニアを生成できました。ストレス耐性に関しては、細菌は極めて優れたパフォーマンスを示しました。高濃度の塩分を含むテストにおいて、ほとんどの菌株は増殖を続け、一部の菌株は海水ベースの培地において並外れた回復力を示しました。同様に、干ばつを模倣する物質を用いて水が不足した状況においても、多くの細菌が強い成長を維持しました。研究者たちは、植物の根の中や葉の上に生息する細菌はそれぞれ異なる強みを持っていることが多いものの、これらの有益な特性のほぼすべてを一度に備えている特別な菌株のグループが存在することを見出しました。これには、Modestobacter、Flavobacterium、Dyadobacter、および Variovorax 属の細菌が含まれ、これらは過酷な環境下で農作物の繁栄を助ける強力な候補として浮上しました。
これらの知見をより深いレベルで理解するために、科学者たちは細菌の遺伝的な設計図を調べました。彼らは、新たに分離された細菌の遺伝子を、公開データベースにある既知の細菌と比較しました。この遺伝学的探索により、実験室で観察されたホルモン生成やストレス対処といったすべての有益な機能のための指示書を、これらの細菌が保持していることが確認されました。ある分離株である Pseudomonas RC25-4 は、チームの注目を集めました。なぜなら、それは顕微鏡下では既知の Pseudomonas の一種に見えるものの、その遺伝コードは、それが未発見の種であることを示唆するほど独特であったからです。
研究者たちは、このユニークな Pseudomonas 株の特別な性質を解明するために、その全ゲノム配列を決定しました。その結果、土壌に生息する細菌に見られる典型的な栄養摂取遺伝子をいくつか失っている一方で、植物の内部で生活するためのユニークな遺伝的ツールを獲得していることが分かりました。これらには、細菌が植物細胞に付着し、保護膜を形成し、植物自身の免疫システムに抵抗するのを助ける遺伝子が含まれます。また、重金属やその他の毒素に対して生存するための遺伝子も保持していました。このことは、この細菌が単に土壌の周りに住むのではなく、トマトの植物体内に隠れた居住者として生きるために特化して進化したことを示唆しています。本研究は、植物ベースの培養法を用いることで、科学者が微生物の多様性という隠された世界を明らかにできると結論付けています。これらの新しく発見された、成長促進とストレス耐性の複数の能力を備えた細菌は、特に温室での野菜栽培や、土壌が塩分を含んでいたり乾燥していたりする地域における、持続可能な農業ソリューションの開発に向けた有望な道筋を提示しています。
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