Metabolomic Profile and Feeding Preference of Diatraea Saccharalis in Sugarcane Co-inoculated With a Diazotrophic Consortium
サトウキビへの窒素固定細菌コンソーシアム（Gluconacetobacter diazotrophicusおよびAzospirillum sp.）の共接種は、ストレス関連の可溶性代謝物のレベルを増加させることで植物の代謝プロファイルを変化させ、その結果、非接種植物と比較して害虫Diatraea saccharalisの摂食嗜好性と体重増加を減少させる。
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ブラジルの広大な畑において、サトウキビは単なる農作物ではありません。それは世界100カ国以上で栽培されている、国家経済の礎石なのです。しかし、多くの植物と同様に、サトウキビも自然からの絶え間ない脅威にさらされています。特に、サトウキビボラーと呼ばれる蛾の存在です。その幼虫は茎の中に穴を掘り、甚大な経済的損失をもたらします。数十年にわたり、農家はこれらの害虫を管理するために化学農薬に頼ってきましたが、植物には独自の内部防御システムが存在し、それが体内に生息する微細な生命体によって強化され得るという科学的知見が蓄積されつつあります。この研究分野は、植物成長促進根圏細菌として知られる有益な細菌が、いかにして植物の根や茎に定着するかを探求するものです。これらの微小な生物は、植物の養分吸収を助けるだけでなく、植物の内部化学反応を再プログラミングし、病気や貪欲な昆虫に対してより強い耐性を持つよう、いわば「訓練」することができるのです。研究者たちが長年問い続けてきたのは、これらの微小な味方が、植物の成長を損なうことなく、害虫にとって魅力的でなくなるような形で、植物の風味や香りを変化させることができるのかどうかという点です。
ブラジルの科学者チームは、特定の2種類の有益な細菌、すなわち Gluconacetobacter diazotrophicus と Azospirillum sp. のパートナーシップによってサトウキビを処理した際に何が起こるかを調査することで、この問いに答えるべく乗り出しました。これらの細菌はサトウキビの天然の居住者であり、空気中の窒素を取り込み、植物が利用できる形態に変換する能力があることで知られています。研究者たちは、これらの細菌を一緒に導入することで、サトウキビの葉の化学組成が変化するのか、そして決定的なことに、その変化がサトウキビボラーを退けることになるのかどうかを確認したいと考えました。これを行うために、彼らは制御された環境下でサトウキビを栽培し、一部の植物には細菌混合液を投与し、他の植物は対照群として未処理のままにしました。その後、彼らは、どちらの植物を好むかを確認するための摂食テストや、葉の内部にある「化学的なスープ」を分析して正確に何が変化したのかを理解するための分析を含む、一連のテストを実施しました。
結果は、植物の内部世界における驚くべき変化を明らかにしました。分子の指紋のように機能する手法を用いて葉の中の可溶性化合物を取り出したところ、処理された植物は未処理のものとは化学的に異なっていることが分かりました。細菌が代謝の再編成を引き起こしていたのです。処理された植物では、プロリンや特定の有機酸といった特定のストレス関連化学物質のレベルが大幅に低下していました。同時に、処理された植物は、スクロース（ショ糖）、アラニンというアミノ酸、そしてガリック酸として知られる強力な抗酸化化合物である高レベルの蓄積を示しました。これは、細菌が植物のエネルギー管理をより効率的に行わせ、ストレス化合物の必要性を減らす一方で、防御の盾として機能し得る物質の生産を促進したことを示唆しています。特にガリック酸の存在は注目に値します。なぜなら、この化合物は植物が生物学的ストレスと戦うのを助けることが知られており、攻撃者に対する自然の障壁として機能するからです。
これらの化学的変化が害虫にどのように影響するかを確認するため、研究者たちは摂食実験を行いました。一つのテストでは、幼虫に処理済みのサト太キビと未処理のサトウキビの選択肢を与えました。昆虫たちは明確な嗜好を示し、未処理の植物を、細菌処理された植物よりも有意に多く選ぶことが分かりました。これは、細菌が植物の化学的信号を変化させ、処理されたサトウキビを貪欲な幼虫にとって魅力の低いものにしたことを示しています。しかし、物語は嗜好性だけで終わりませんでした。幼虫に強制的に一方の植物のみを食べさせた第二のテストでは、植物が処理されているか否かにかかわらず、彼らの成長率は同一でした。この発見は極めて重要です。なぜなら、細菌が植物を毒にしたり、栄養的に貧弱にしたりしたわけではないことを証明しているからです。もし他に選択肢がなければ、幼虫たちは処理された植物の上でも全く同じように成長することができました。つまり、彼らは単に、選べる状況においてはその植物を食べたくなかっただけなのです。
この「嗜好性」と「パフォーマンス」の区別は、洗練された形態の植物防御を浮き彫りにしています。細菌は昆虫を毒殺したのではなく、代わりに、代謝資源をシフトさせることで、害虫を遠ざけるような形で植物のプロファイルを変えたのです。ガリック酸の増加とストレスマーカーの減少は、植物が苦闘しているのではなく、むしろ最適化された準備状態にあることを示しています。この研究は単一のサトウキビ品種を用いた制御された環境で行われましたが、その知見は持続可能な農業への有望な展望を提示しています。これらの自然な細菌とのパートナーシップを活用することで、農家は外部からの散布によって作物を守るのではなく、植物自身の強化された化学作用を通じて、化学農薬への依存を減らすことができるかもしれません。この研究は、植物内部の微小な世界が、害虫や収穫というマクロな世界に対して、深く具体的な影響を及ぼし得ることを裏付けています。
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