Upregulation of chitinase and β-1,3-glucanase enzymes and modulation of biochemical defense response by fungal endophytes against Rhizoctonia solani in cotton

綿は単なる布地ではありません。それは世界的な農業のエンジンであり、インドだけでも世界の綿花畑のほぼ半分を栽培しています。しかし、この極めて重要な作物は、目に見えない地下の敵に直面しています。リゾクトニア・ソラニ（Rhizoctonia solani）と呼ばれる微小な真菌が土壌の中に生息し、若い綿の苗を攻撃する機会をうかがっています。これは「苗立ち枯れ」として知られる状態を引き起こし、苗の茎の基部が腐り、苗が定着する前に崩れ落ちて死に至らせます。何十年もの間、農家はこの敵と化学殺菌剤で戦ってきましたが、これらの化学物質は土壌やその中に生息する有益な微生物を傷つける可能性があり、また、真菌自体も最終的にはそれらに対して耐性を獲得してしまうことがあります。しかし、自然界は異なる種類の解決策を提示しています。健康な植物の組織内には、エンドファイト（内生菌）と呼ばれる微小な真菌が隠れています。これらは侵入者ではなく、病気を引き起こすことなく植物の中で暮らす、恒久的で無害な居住者です。多くの場合、これらの内部のゲストは、害虫を寄せ付けない化合物を作り出したり、植物自身の免疫系を起動させて攻撃に備えさせたりする守護者として機能します。

インドのナグプールにある中央綿花研究研究所の研究チームは、これらの内部の守護者を利用して、致命的な土壌真菌から綿を守ることができるかどうかを確かめるべく着手しました。彼らは、以前に健康な綿の中に生息しているのを発見した、3つの特定のタイプの真菌エンドファイトに焦点を当てました。科学者たちは、敵が到着する前に、綿の植物自体の自然な防御機能をいかにして呼び覚ますことができるかを知りたかったのです。そのために、彼らは綿の種子を、これらの有益な真菌の胞子を含む液体に浸しました。これは「種子バイオプライミング」として知られるプロセスです。この工程は、実質的に種子にヘッドスタートを与え、新しい微小な味方で種子をコーティングすることになります。次に、彼らは、病原菌に感染した土壌に、処理を施した種子と、何の処理も受けていない種子を並べて植えました。目標は、処理された植物が感染に対してどのように振る舞うかを観察し、植物細胞の中で何が起こって植物を強くしているのかを正確に理解することでした。

結果は、この戦略が驚くほど上手くいったことを示しました。有益な真菌で処理された種子は、未処理の種子よりも生存率がはるかに高い苗へと成長しました。実際、特定の種であるダルディニア・エシュコルツィー（Daldinia eschscholtzii）で処理された種子は、病原菌が存在する環境下でも91パーセントという高い発芽率を示し、感染した土壌における未処理の種子の67パーセントと比較して高い数値となりました。しかし、物語は生存率だけにとどまりません。研究者たちは、生き残った植物の組織の内部を調べ、どのような生化学的変化が起こったのかを確認しました。その結果、処理された植物は本質的に「高度な警戒状態」にあることが分かりました。彼らは、防御機構の構成要素であり燃料となるタンパク質や糖分を、有意に高いレベルで蓄積していました。また、植物は天然の消毒剤として機能し、植物の細胞壁を強化して侵入する真菌が突き破るのを困難にするフェノール化合物もより多く生成していました。

研究では、植物が反撃に用いる道具である特定の酵素の活性も測定されました。処理された植物は、抗酸化活性の急増を示しました。これは、病原真菌が植物を損傷させるために放出する有害な化学物質を中和するのに役立ちます。カタラーゼと呼ばれる、植物自身の免疫反応によって生じる毒性副産物を分解するのに役立つある酵素は、Daldinia eschscholtziiで処理された植物において特に活発でした。また、植物の細胞壁を硬化させる役割を担うペルオキシダーゼという別の酵素も、Trichoderma sulphureumと呼ばれる別のエンドファイトで処理された植物において非常に活発でした。おそらく最も雄弁なのは、遺伝的な証拠です。研究者たちは、キチナーゼとベータ-1,3-グルカナーゼという、植物が真菌の細胞壁を解体するために用いる強力な武器を生成する責任を持つ遺伝子を調べました。有益な真菌で処理された植物では、これらの武器を作るための指示が、驚異的な速さと強度でオンになりました。植え付けから15日以内に、Daldinia eschscholtziiで処理された植物におけるキチナーゼの遺伝子の活性は最大26倍に増加し、ベータ-1,3-グルカナーゼの遺伝子は9倍の増加を示しました。これは、有益な真菌が単に直接的に病気と戦っただけでなく、綿の植物に自ら戦う方法を教えたことを示唆しています。

研究者たちは、この防御反応が単一のイベントではなく、時間の経過とともに進化する調整された取り組みであることを観察しました。遺伝的シグナルは植物の生涯の初期に最も強かったものの、糖やタンパク質といった生化学的防御は、植物が成長するにつれて蓄積され続けました。これは、有益な真菌が植物を即座に攻撃に備えられるようプライミング（準備）させ、その後、植物が成熟するまでその防御を維持させるのを助けたことを示しています。研究では、有益な真菌が病原真菌を完全に排除したわけではなく、むしろそれが引き起こし得るダメージを大幅に軽減したことが分かりました。エンドファイトで処理された植物は免疫を持っていたわけではありませんが、未処理の植物が死滅してしまうような環境でも、生き残り成長できるほどの回復力を持っていました。このアプローチは、化学スプレーに頼るのではなく、植物とその中に宿る微小な生命との自然なパートナーシップを利用した、有望な代替案を提供しています。種子をこれらの有益な真菌の溶液に浸すだけで、農家は効果的かつ環境に優しい方法で、綿の植物自身の内部の味方を、執拗で破壊的な敵に対する第一線の防御へと変えることができる可能性があるのです。