研究によると、暑い気候は植物の免疫システムを弱める
気温の上昇に伴い、植物の病原体に対する防御機能がなぜ弱まるのかについて、世界中の科学者の間では未だ解明されていない。しかし、その解決策は遺伝学にあるのかもしれない。
科学者たちは、気温が上昇すると植物がなぜ病気にかかりやすくなるのか、その理由を解明しようと長年取り組んできた。
関連する研究は現在も進行中だが、世界各国の大学から集まった研究者グループは、高温下でも植物が病原体から身を守る能力を取り戻す方法を模索した。
気候変動が加速する中、我々は実験室で得た知見を現場へより迅速に適用するよう迫られることになるでしょう。遺伝子組み換え植物への理解が深まらなければ、これを実現する方法が見当たりません。
「気温が高いと、植物の基礎免疫力が低下するため、感染がはるかに多くなる」と、研究チームを率いたデューク大学の植物生物学者、シェン・ヤン・ヘ氏は述べた。「そこで我々は、植物はどのように暑さを感じているのか、そして実際にそれを修正して植物を耐熱性のあるものにできるのかを知りたかったのです」
『ネイチャー』誌に掲載されたこの研究は、シロイヌナズナ（Arabidopsis thaliana）に焦点を当てた。この目立たない雑草は一般にマウスイア・クレスとして知られ、植物生物学者からは「植物界のモルモット」と見なされている。シロイヌナズナは道路脇、開けた小道、空き地などで繁茂し、その短いライフサイクルと、短く改変しやすいゲノムのため、世界中で実験に利用されている。
関連記事：持続可能な農業の鍵となる、環境ストレスに対する植物の反応の研究研究者らによると、シロイヌナズナの主要な防御ホルモンはサリチル酸であり、主要な作物を含む多くの植物が病気への抵抗力としてこれを利用している。しかし、気温が数度上昇するだけで、サリチル酸の生成が阻害されることがある。
「気候変動に伴う極端な気象条件は、感染症への反応を含め、動植物の生活の多くの側面に影響を及ぼす」と研究者らは記している。「植物の主要な防御ホルモンであるサリチル酸の生成は、未知のメカニズムを通じて、通常の植物生育温度範囲を超える短期間の暑さによって、特に抑制されやすい。」
長年の実験室での研究を経て、研究者らはCBP60g遺伝子を特定した。この遺伝子は、気温が上昇すると植物におけるサリチル酸ホルモンの生成を抑制し、防御機構を無力化してしまう。解決策として、この遺伝子を遺伝子操作によってバイパスすることで、高温下でも植物の防御機能を回復させた。
「これは数年を要し、複数の研究機関が協力した取り組みでした」と、カナダのウィルフリッド・ローリエ大学の生物学者であり、本研究の共著者であるクリスチャン・ダンヴェ・カストロヴェルデ氏は『Olive Oil Times』に語った。
「2013年、我々は短期間の高温が、シロイヌナズナ植物の『シュードモナス・シリンゲ』という細菌による感染に対するホルモン防御に劇的な影響を与えることを発見しました」と彼は付け加えた。「その後さらに数年を経て、高温条件下でシロイヌナズナの免疫がどのように抑制されるかの分子的基盤を特定することにようやく成功しました。」
研究者らは実験室で「プロモーター」を追加することで、この遺伝子の機能を迂回させた。この短いDNA配列は遺伝子の転写（DNA配列をRNA分子にコピーすること）を強制し、シロイヌナズナがサリチル酸ホルモンを生成する能力を回復させた。
「サリチル酸受容体および生合成遺伝子を含め、CBP60gの発現を最適化することで、成長温度の上昇下においても、著しい成長のトレードオフを伴わずに、サリチル酸の産生、基礎免疫、およびエフェクター誘発免疫を広範囲に回復させるのに十分であった」と研究者らは記している。
関連記事：高温環境に最も適応したオリーブ品種の特定に取り組む研究者たち同チームは、ナタネなどの食用作物に対する遺伝子改変の試験を開始した。また、小麦やジャガイモを含むより多くの作物での実験も計画している。しかし、カストロヴェルデ氏は、この手法を大規模に適用するには、相当量の野外研究が必要だと述べた。
「多くの植物にはCBP60g様遺伝子が存在し、その多くがサリチル酸を生成する能力を持っています」と彼は語った。「植物はすでに武器を備えているようです。今の我々の課題は、この力を活用することだけです。農業への応用に関しては、圃場試験で成功する結果が出るまで待つ必要があると考えています。」
とはいえ、植物の免疫システムを回復させるために研究チームが提案した具体的な解決策は、消費者が食品へのさらなる遺伝子操作を受け入れる準備ができていることを前提としている。
「気候変動が加速する中、我々は実験室で得た知見を現場へより迅速に導入するよう迫られることになるでしょう」と、本研究には関与していないコロラド州立大学の植物免疫専門家、マーク・ニシムラ氏は述べた。「遺伝子組み換え植物への理解が深まらなければ、これを実現する道筋は見えない」
6月に香港中文大学の研究者らが発表した別の研究では、オゾン汚染と気候変動の影響により、2050年までに世界の作物収量が20％減少する可能性があると警告している
シロイヌナズナの耐熱性を回復させることに成功したにもかかわらず、研究者らは、気候の温暖化が植物の免疫システムの有効性にどのような影響を与えるかについての理解の不足が、「将来の農業生産性、生態系の保全、そして新たな植物病害のパンデミックの発生にとって重大な懸念事項である」という事実を強調した。
しかし、彼らは、今回の研究結果が、将来的に作物の耐性が向上することを示唆していると付け加えた。
「我々は、高温下において植物の免疫システム全体をより強靭にすることができた」と、デューク大学の植物生物学者であるHe氏は述べた。「もしこれが作物にも当てはまるなら、それは非常に大きな意味を持つ。なぜなら、我々は極めて強力な武器を手にすることになるからだ。」