研究内容 Research

1). 共生微生物による植物生長促進機能や植物保護機能を支える分子基盤の理解
植物は環境が悪化しても動物などとは異なりその場から退避することは出来ませんがその代わりに類稀な環境適応能力を獲得しています。その中の一つとして周囲の様々な微生物との相互作用を通じた環境適応能力が挙げられます。植物は特定の細菌や糸状菌(カビ)と共生関係を結ぶことで窒素やリンといった植物にとって必要不可欠な栄養素を獲得しています。また、共生微生物の中には植物の免疫応答を高めることで病原菌から植物を防除する力を付与するものも存在しています。これらの微生物による植物生長促進や植物保護能などの共生効果を支える分子基盤を明らかにしていくことは、今後持続的な農業生産を目指していく上で有用微生物を活用していくためには必要不可欠と考えられます。
私たちはこれまでに野外のリン欠乏土壌で生育するモデル植物シロイヌナズナから単離された糸状菌Colletotrichum tofieldiae( 以下Ct )がシロイヌナズナを始めとするアブラナ科植物の根に感染し、リン欠乏環境ではリンを自身の土壌中に張り巡らせた菌糸を介して運び植物に届ける、いわば、植物の第2の根として働き、その結果として、様々な植物種の植物生長を促すことを見出しています(Hiruma et al., Cell 2016図1)。Ct -シロイヌナズナの系の特徴として、他の類似した共生系と比較して、様々な情報がこれまで蓄積しているモデル植物シロイヌナズナを宿主植物とすることに加えて、Ctも培養が容易で相同組換え法を活用した遺伝子の破壊なども容易に行えることから、植物・菌双方向から共生効果を支える分子メカニズムを解明できることが期待できます。我々は本モデル系を中心に微生物による共生効果を支える分子機構を解明することを目指しています。
実際に、これまでに、シロイヌナズナが特殊のタイプのリン酸トランスポーターを菌の菌糸との接触面で特異的に活性化させることが菌からのリンの受け取りに重要であることを見出しています(未発表)。この発見からも、植物の環境適応能力の全貌を明らかにしていくためには微生物相互作用にこれからますます注目していく必要性があると感じています。

Molecular mechanisms underlying beneficial interactions between plants and fungal endophytes
 We recently found that the root fungal endophyte Colletotrichum tofieldiae (Ct) promotes plant growth of the model plant Arabidopsis thaliana under low phosphate conditions via transferring to phosphorus to the host (Hiruma et al., Cell 2016). The Ct-A. thaliana interaction will help to understand molecular mechanisms underlying beneficial interactions between plants and fungal endophytes because the fungal partner is amenable to molecular genetic manipulation, including targeted gene disruption, and abundant genetic tools and resources are available for the plant host.


2) 比較ゲノミクスを駆使した共生菌・病原菌比較解析による微生物の共生性・病原性を規定する分子基盤の理解
1)で紹介したCtは貧栄養環境下で植物生長を促す共生菌ですが、近縁種には同一植物に対して炭疽病を引き起こす病原菌が存在しています(C. incanum, 図1)。全ゲノム情報を比較するとは両者は大部分の遺伝子を共有していることも明らかになっています(Hacquard et al., Nat Commun 2016; Hiruma, 2020)。この事実は、共生菌として振舞う菌も病原性を発揮する潜在性はゲノム上に有しており、共生菌の安定的な活用のためにはその植物生長促進基盤を明らかにすることに加えて、隠れた病原性を抑える方策を同時に提案することの重要性を強調しています。私たちは、Ctが属するColletotrichum属菌には共生から病原へと多彩な感染戦略を示す菌株が存在する他にない利点を活かした比較ゲノミクス(比較ゲノム ・トランスクリプトーム解析など、図2)を駆使して、共生性や病原性を分ける鍵因子を植物・菌双方から同定しようと研究を開始しています。同定した鍵因子の制御基盤を理解しその因子をターゲットとすることにより、病原菌そのものではなくその病原性の基になる分子の抑制方法を開発することが可能となると期待しています。これにより、微生物の種類に問わず抑制してしまう従来の多くの農薬とは異なり、その地に受け継がれてきた微生物の潜在性を活かしつつ病原菌化は防ぐ道が開けると期待しています。さらに、応用面だけではなく、「共生性と病原性の境は?」という微生物学にも根源的な質問に対する興味深い答えを提唱できると考えています。

Commonalities and differences in microbial pathogenic and mutualistic life-styles in planta
 Plants in nature interact with diverse microbes, ranging from pathogens (that inhibit plant growth) to mutualists (that promote plant fitness). It remains largely unclear molecular factors which can discriminate between pathogens and mutualists. By in-depth comparative analyses between phylogenetically closely-related pathogenic and mutualistic microbes, we are trying to identify plant and/or microbe molecular factors that determine a microbial lifestyle selection either as a pathogen or a mutualist in plants. Revealing mode of action of the factors responsible for the lifestyle selection will help to understand how we should make best use of a beneficial microbe while suppressing the potential pathogenesis. We now focus on comparative functional analyses between pathogenic and mutualistic Colletotrichum species in A. thaliana.


3) 糸状菌および細菌からなる人工共生微生物群による協調的な植物生長促進基盤の理解
上で述べた通り、植物の表面および内部には無数の微生物が棲息しており、植物は様々な微生物との共生関係を通じてストレス環境への適応能力を発揮しています (Hiruma et al., Cell 2016)。これは言い換えると、植物は自身に環境適応能力を付与する微生物群をいわば拡張された自己として取り込んだ高次共生体「植物微生物共生体」を形成しているとも言えます。これまでの研究では、植物と微生物の1対1相互作用の分子機序の解明に重きが置かれ、多元的な相互作用から成り立つ植物微生物共生体の実態やその成立・維持機構に関しては明らかではありません。私たちは共生菌Ctが野外圃場環境下でもアブラナ科植物の生長を促すこと、および、その植物生長促進効果の背景では、Ctが特定の土壌・根圏細菌群を誘致することを見出しました。次に、実際にCtが感染した根から細菌群を(一部)単離し、実験室環境下でCt-細菌集団を再構成しました。その結果、Ct-細菌群は貧栄養環境下で協調的に植物生長を促すことを見出しました(図3)。つまり、Ctは貧栄養環境下で自身の力によって植物生長を促すだけでなく、植物生長に寄与する細菌群を誘引することにより協調的に植物生長を促すことが考えられました。どのようにCtが有用細菌群を誘致して協調的な共生効果を発揮するのか、また、宿主である植物がどのようにこれらの微生物群を制御しているのかに特に興味を持って研究を進めています。本系はこれまでの1対1相互作用とは異なり、2者以上の変数を扱う複雑性科学の特徴も有した系になっていることから、植物科学や微生物科学といった分野の研究者に加えて、数理生物学など数学的・物理学的視点を持った幅広い専門性を持つ研究者との共同研究も進めていく必要性がある挑戦的かつ裾の広いテーマだと考えています。


4) 糸状菌が持つ休眠二次代謝物クラスター群の役割の理解
生物が産生する化合物は有用な生理活性を持つものが多いことが知られています。これらの多くは二次代謝物と呼ばれる化合物群で、農薬・医薬品や香料などとして活用されています。中でも、植物と相互作用する糸状菌が多種多様な二次代謝物を生成する潜在性を有することがゲノム情報の蓄積やその解析手段の発達により明らかになっています。糸状菌のゲノムにおいて、一つの二次代謝物合成に必要な酵素遺伝子群やその制御転写因子は通常同一領域でクラスター化されており、それらの合成クラスターの数や構成は近縁種間でも大きく異なっています。このクラスターの数・構成の多様性は、植物や他の微生物との進化的軍拡競争の最中に、生態的地位を共有する微生物との間でのクラスターの断続的な水平移行により獲得され、糸状菌の環境への適応に重要な役割を担っていることが想定されています。しかしながら、既存の制御実験環境では、糸状菌ゲノム上に存在する二次代謝物遺伝子クラスター群の大半はそのクラスター内の遺伝子群の発現が誘導されない休眠(不活性化)状態であり、それ故、糸状菌二次代謝物遺伝子群クラスターの役割(機能)やその化合物としての有用性に関してこれまで得られた知見は極めて限られています。
私たちは、従来休眠状態だった二次代謝物クラスター群が土壌・根圏の他の微生物群と協調的もしくは競合的な相互作用する(植物微生物共生体を形成する)際に活性化することを見出しています(投稿中、Pathompitaknukul, Hiruma et al., bioRxiv 2020、一部未発表)。これらの発見は、単独の感染戦略を示す1種類のモデル微生物を実験室環境で解析した場合は休眠状態であった二次代謝物クラスター群は、植物環境で他の微生物群と相互作用する際に初めて活性化することを意味します。つまり、糸状菌の休眠二次代謝物遺伝子クラスター群の活性化およびその有効活用は、植物微生物共生体という、微生物の本来の生育環境を分子遺伝学的解析が可能な形で再構築することで、可能となることが期待できます(図4)。私たちは、活性した休眠二次代謝物クラスター群の植物や他の微生物との相互作用する際の役割を明らかにするとともに、クラスターから合成される二次代謝物の同定を目指したいと考えています。



東京大学

大学院総合文化研究科・教養学部

広域科学専攻 生命環境科学系

統合自然科学科