健康な野生型シロイヌナズナ植物（左）と微生物の不均衡に苦しむ突然変異植物（右）。 シェンヤンヘ, のCC BY-SA

私たちの多くは 炎症性腸疾患、腸内微生物の異常な収集に関連する衰弱状態–腸内微生物叢として知られています。 私の研究室 最近、人間と同様に、植物も腸内毒素症として知られるこの状態を発症し、深刻な結果をもたらす可能性があることがわかりました。

XNUMX 月 XNUMX 日の VR/AR アソシエーション メタバース イベントで行われた この研究、私の同僚と私は、植物の腸内毒素症の制御に関与するいくつかの遺伝子とプロセスが人間のものと類似している可能性があることを発見しました。 植物界での腸内毒素症の発見は、植物の健康と世界の食料安全保障の革新を刺激するための新しい可能性を開きます。

私は植物微生物学者です 植物と微生物がどのように相互作用するかに興味があります。 過去の私たちの研究は 病原性感染症の分子の詳細、この作業により、私の研究室は植物マイクロバイオータの魅力的な世界に導かれました。

植物にはマイクロバイオームがありますか？

科学者が人間の「腸内細菌」はバランスが取れているべきだと言うとき、彼らは人間の消化器系に住むすべての微生物の遺伝物質、または腸内微生物を指します。 植物にはマイクロバイオームもありますか？ 答えはイエスです。

実際、葉圏と呼ばれる地上で成長する植物の部分と根圏と呼ばれる地下で成長する部分は、地球上で微生物のコロニー形成のための最大の生息地のXNUMXつを提供します。 どちらも地球上の人間の生活に不可欠です。

葉圏は光合成のために二酸化炭素を吸収します。これはバイオマスを構築するために必要であり、食物、燃料、繊維、医薬品の主要な供給源です。 光合成はまた、動物や人間が呼吸するために酸素を放出します。そのため、植物は私たちの惑星の肺であると見なされることがよくあります。 一方、根圏は土壌から水と栄養分を吸収します。

多くの研究 植物微生物は、植物が土壌から栄養素を抽出し、干ばつ、病原体、昆虫、その他のストレスに対処するのに役立つことを示しています。

生態学的研究 また、植物の葉に生息する微生物の多様性が大きいほど、植物の生産性が高くなるようだと指摘しています。

今日、ほとんどの植物科学者は、作物の生産性と食料安全保障を確保するためのグローバル戦略では、植物のマイクロバイオームを考慮する必要があると考えています。 国連食糧農業機関は、 食用作物の最大40％ 毎年、植物の害虫や病気のために失われ、国連総会は2020年を植物の健康の国際年として宣言しました。

いくつかの微生物は葉や新芽に関連していますが、別の異なるセットが根の間に住んでいます。 シェンヤンヘ, のCC BY-SA

植物はどのようにしてマイクロバイオータを健康に保ちますか？

植物の健康にとって微生物（植物の上または近くに生息する微生物の特定のコミュニティ）の重要性を考えると、植物は微生物の適切な組み合わせを選択するために洗練された遺伝子ネットワークを進化させたに違いないと考えました。

それが本当なら、どの植物遺伝子が植物を取り巻く微生物の種類に影響を与えるかを知ることは、植物がより良く、より強く成長し、より多くのバイオマスと収量を生み出すのを助けるために植物マイクロバイオータを最適化するための将来の研究を導くことができます。

確かに、私のグループは現在、モデル植物でこれらの「マイクロバイオータ制御」遺伝子のいくつかを特定しました シロイヌナズナ.

いくつかの遺伝子が 植物の免疫力と水分バランスに関与することは、内部の健康な微生物叢を選択して維持するために重要です シロイヌナズナ 植物の葉。

これらの同定された遺伝子を植物から取り除くと、 シロイヌナズナ 植物変異体は、微生物の正しい混合をホストできず、枯れ葉や黄変葉などの腸内毒素症の症状を示しました。 私たちが知る限り、これは 腸内毒素症の悪影響が因果的に文書化されたのは初めて 植物界で。

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「病気の」植物の興味深い特徴

私の同僚と私は、私たちの変異体にいくつかの注目すべき腸内毒素症の特徴を観察しました シロイヌナズナ 植物です。

第一に、腸内毒素症の変異体は、葉の内部に異常に高いレベルの微生物が生息している傾向があります。

健康なシロイヌナズナの葉（左）と腸内毒素症変異植物の葉（右）。 シェンヤンヘ, のCC BY-SA

第二に、微生物の多様性に劇的な変化があります。 たとえば、通常では シロイヌナズナ 植物の葉には、葉の中にあらゆる種類のバクテリアが生息しています。 対照的に、細菌の全体的な多様性は、異生物変異体では大幅に減少しており、健康な植物が微生物の多様性を促進し、おそらく植物の健康への利益を高めることを示唆しています。

第三に、門に属する細菌が フェルミキュート 野生型の中に豊富にあります シロイヌナズナ 葉は、私たちの遺伝子変異体では存在量が大幅に減少しています。 さらに、腸内毒素症の変異葉内の有害な細菌の数が劇的に増加しました。 これらの微生物叢の変化のいくつかが炎症性腸疾患のヒト患者でも観察されることは興味深いことであり、ヒトと植物の腸内毒素症の発症における概念的な類似点を示唆しています。

次は何ですか？

私たちは、腸内毒素症の予防に関与するいくつかの植物遺伝子とプロセスの同定に興奮しています。 私たちが特定した微生物叢制御遺伝子 シロイヌナズナ は他の多くの植物のゲノムに見られ、私たちの発見が幅広い適用性を持っている可能性があることを示唆しています。

将来的には、これらの宿主遺伝子を変更して実験することができます。これにより、植物の健康を改善するマイクロバイオータベースのアプローチにつながる可能性があります。 たとえば、遺伝子編集技術を使用して、特定の遺伝子の発現を増強することにより、植物の葉に健康的なバイオームを作成することができます。 合成の健康なマイクロバイオームは、植物の腸内毒素症を予防するためのプロバイオティクスとして処方される場合があります。 プロバイオティクスは、人間の腸内細菌叢の健康を改善することが約束されています.

注目すべきことに、人の免疫系に関連する遺伝子の突然変異はよく知られています 炎症性腸疾患の発症の危険因子 人間で。 おそらく、将来の研究では、病気を防ぐために植物と人間がそれぞれの微生物相とどのように相互作用するかについて、より共通の特徴が見つかるでしょう。

シロイヌナズナなどの植物の遺伝子研究の容易さは、研究者が人や植物の微生物叢の健康の維持に関与するより多くの遺伝子を特定できる可能性も提供します。

著者について

Sheng-Yang He、HHMI Investigator、University Distinguished Professor、 ミシガン州立大学

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