The microbial community living within the rust fungus Uromyces hawksworthii assessed through metagenome analysis

さび菌は、農作物や野生植物の両方に感染し、その複雑なライフサイクルを完了するためにしばしば2種類の異なる寄主植物を必要とする、地球上で最も成功した植物病原菌の一つである。これらの菌類は、発達の異なる段階で、さび病の蔓延の媒介となるaeciospores（aeciospore：aecium期に形成される胞子）やteliospores（teliospore：telium期に形成される胞子）を含む、数種類の明確なタイプの胞子を生成する。数十年にわたり、科学者たちはこれらの胞子が不妊ではないことを知っていた。胞子の内部や表面には、細菌や他の真菌を含む、目に見えない微生物のコミュニティが潜んでいることが多い。これらの隣人の中には、さび菌自体を餌とする生物であるハイパーパラサイト（超寄生体）も存在する。これらの胞子の中に誰が住んでいるのか、そしてさび菌が成熟するにつれてそれらのコミュニティがどのように変化するのかを正確に理解することは、さび菌の天敵を制御のために利用することで、これら破壊的な植物病害を管理するための新しい方法を明らかにする可能性がある。

最近の研究において、研究者たちは、ヤドリギ科の植物に感染するさび菌の一種であるUromyces hawksworthiiの内部にあるこの目に見えない世界をマッピングすることを試みた。研究チームは、さび菌の特定の2つの段階に焦点を当てた。すなわち、aeciosporesを生成するaecium（aecium期）と、teliosporesを生成するtelium（telium期）である。これら2つの段階は、以前は顕微鏡による外見上の違いによってのみ区別されていたが、研究者たちは、その中に生息する微生物コミュニティが根本的に異なっているのではないかと推測した。これを確認するため、彼らはブラジルの感染した葉から胞子を採取し、強力な遺伝子シーケンシング技術を用いて、サンプル内に存在するすべての細菌と真菌のDNAを読み取った。この手法により、ラボで培養することなく特定の種類の微生物を特定することができ、微生物の住民の包括的な調査が可能となった。

分析の結果、両方の段階に共通する細菌や真菌のグループはあるものの、さび菌が成熟するにつれて、これらのコミュニティの全体的な組成が劇的に変化することが明らかになった。初期のaecium段階では、細菌コミュニティは主に2つの主要なグループであるProteobacteria（プロテオバクテリア）とActinobacteria（アクチノバクテリア）によって支配されており、より多様な種類の細菌を示していた。しかし、さび菌が進行してtelium段階になると、細菌の景観は変化し、Firmicutes（フィルミクテス）とCyanobacteria（シアノバクテリア）が非常に顕著になった。真菌の住民も同様のパターンの変化を示した。特定の真菌クラスは両方の段階に存在していたが、telium期にはExobasidiomycetes（エクソバシディオミケテス）やPucciniomycetes（プキニオミケテス）といったグループを含む、より多くの種類の真菌が宿っていた。これらは、初期のaecium期でははるかに一般的ではなかった。

これらの知見は、さび胞子の内部にある微生物コミュニティは静的なものではなく、さび菌自体の進化とともに進化することを示唆している。研究者たちは、これらの微生物集団の違いがあまりに明確であるため、遺伝データのみを見てもaecium期とtelium期を区別できることを見出した。この区別は極めて重要である。なぜなら、これは胞子内部の環境が、異なる時期に異なる種類のハイパーパラサイトを有利にするような形で変化していることを示唆しているからである。例えば、aecium期における細菌の多様性の高さや、telium期における真菌の多様性の高さは、これらの段階が特定の微生物による感染に対してより脆弱であるか、あるいはそれらに豊かな資源を提供していることを示している可能性がある。これらの具体的な微生物の変化を理解することで、科学者たちは最終的に、どの天敵がライフサイクルのどの時点においてさび菌を攻撃するのに最も効果的であるかを特定し、より標的を絞った生物学的防除を実現できるかもしれない。

また、本研究は、胞子の発芽孔や保護壁といった物理的な構造が、これらのコミュニティの形成に役割を果たしていることも確認した。研究者たちは、ハイパーパラサイトとしての真菌がこれらの特定の開口部を通って侵入することが多いこと、そして、さび菌の発達に伴う胞子壁の性質や化学的成分の変化が、どの微生物が生存し繁栄できるかに影響を与える可能性を指摘した。この論文は、さび病の問題を解決したと主張しているわけではないが、さび胞子内の微生物の世界がどのように構成されているかについて、明確でデータに基づいた全体像を提供している。結果は、aecium期とtelium期が単に形態学的に異なるだけでなく、生態学的に異なる環境であり、それぞれが細菌や真菌の独自のコミュニらを生み出しており、それが農作物や自然のエコシステムを永続的な病原体から守るために活用できる可能性があることを示している。