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植物寄生性線虫が農業における幹細胞活用にブレイクスルーをもたらす可能性

線虫は植物の幹細胞を操って自分の巣を作らせていた

Kumamoto University

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Credit: Professor Shinichiro Sawa

農作物の害虫として知られる植物寄生性線虫は、根本的な対抗策がなく、新たな品種や農薬の開発が求められています。この線虫は、農作物の根に寄生して根こぶと呼ばれる巣を作り、植物から栄養を奪ってしまいます。そのため作物が枯死したり、商品価値が無くなったりするうえ、一度発生するとその畑で数年にわたって作物を育てることができなくなるような、非常に厄介な存在です。今、この線虫による農業被害が世界中で拡大の一途をたどっています。

今回熊本大学の研究者らは、植物寄生性線虫に寄生された植物の反応を分析した結果、寄生によって幹細胞が活性化することで根こぶを形成していることを見出しました。つまり植物寄生性線虫は、植物の幹細胞を巧みに操り、根に自分の巣を作らせていることが明らかになりました。今後は、この知見を利用した作物の品種改良を行うこと等で、線虫被害の軽減への貢献が期待されます。

[背景] 線虫という害虫

土壌中には多くの微生物が生息しており、植物はこれらの微生物と相互作用しながら生活しています。しかし、中には植物に害をもたらす微生物も存在しており、植物寄生性線虫もその一種です。この線虫が根に侵入・感染すると、根に「根こぶ」と呼ばれるこぶ状の巣が形成されます。 線虫は、この根こぶの中で植物から栄養分を吸収し、成長して多くの卵を産み出します。しかしなぜ、小さな線虫の寄生によって植物自身が線虫の巣を作ってしまうのか、そのしくみはほとんどわかっていませんでした。

[仮説] 操られた幹細胞

研究者らは、実験植物のシロイヌナズナを利用した実験システムを組み立てて線虫に寄生された植物の応答を解析しました。根こぶは非常に小さいため困難な解析でしたが、非常に精度の高い結果を得ることに成功しました。次世代シークエンサーによって遺伝子情報のデータを大規模に獲得し、これに統計解析を組み合わせたのです。

これらの解析の結果、線虫の寄生によって植物の幹細胞機能が異常に活性化している可能性が見出されました。幹細胞は、iPS細胞などに代表される、半永久的に自己増殖を続けることができる細胞です。高等植物の多くは導管と師管の境目にわずかな量の幹細胞をもっていますが、これらの幹細胞の活性は厳密にコントロールされています。しかし、この幹細胞が暴走すると、がんのような異常な組織ができて正常な形をとれなくなってしまいます。根こぶでは、この厳密であるはずの幹細胞の活性制御が暴走していることがわかりました。つまり、線虫は植物の幹細胞を操り、植物に自らの巣を作らせているのではないかと考えられます。

[立証] 幹細胞を目で見る

研究者らは、この仮説を確かめるため、幹細胞を青色に染めることができる実験植物を利用し、線虫の感染から根こぶができるまでを観察しました。その結果、やはり根こぶの成長とともに幹細胞を示す青い染色が広がっていく様子が観察されました。つまり、線虫が植物に寄生する際には、植物が自身のために保持している幹細胞の制御のしくみを線虫が乗っ取り、線虫のための巣を植物に作らせていることが明らかとなりました。

[今後] 農作から園芸まで

今回、植物寄生性線虫は、植物がもともと持っている幹細胞をうまく利用して寄生を行っていることが明らかとなりました。本研究により、農業上非常に重要となる線虫の寄生のしくみが解明されたことで、線虫防除のための品種改良や育種などの技術開発が可能になったと考えられます。

例えば、植物の組織から幹細胞を取り出し、試験管内で培養しながら優良な個体を選抜する手法は、イチゴ・アスパラガスなどの作物やラン・シクラメンなどの園芸植物で実用化されている、日本のお家芸ともいえる方法です。しかし、幹細胞化を誘導するとなると、その技術開発は非常に難しく、実際にこういった手法が使える作物は多くありません。

研究を主導した熊本大学の澤進一郎教授は次のようにコメントしています。「線虫は非常に多くの種類の植物に寄生することができますが、このことは、ほとんどの作物を標的として幹細胞を活性化できるという、人類の技術にない能力を線虫が持っていることを示しています。今後は植物寄生性線虫が、どのように植物の幹細胞を操っているかを研究することで、多様な作物や園芸植物の幹細胞化を可能とする技術への発展と、優良な品種の開発につながることが期待できます。」

本研究成果は、Frontiers in Plant Scienceに2017年7月13日掲載されました。

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Yamaguchi, Y. L.; Suzuki, R.; Cabrera, J.; Nakagami, S.; Sagara, T.; Ejima, C.; Sano, R.; Aoki, Y.; Olmo, R.; Kurata, T.; Obayashi, T.; Demura, T.; Ishida, T.; Escobar, C. & Sawa, S., Root-Knot and Cyst Nematodes Activate Procambium-Associated Genes in Arabidopsis Roots, Frontiers in Plant Science, Frontiers Media SA, 2017. DOI: 10.3389/fpls.2017.01195

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