内生菌は、ピーナッツの成長と病気への耐性を促進するために根系の中心微生物叢を再構築します

内生菌は、ピーナッツの成長と病気への抵抗力を促進するために、根系の中心微生物叢を再構築します。

植物関連の微生物コミュニティは、しばしば植物体自体の遺伝子や機能の延長と見なされ、その成長、発達、および病気への免疫抵抗にとって重要であるとされています。幅広く探索されている根間微生物群に加えて、植物根系の内生微生物群は、植物ホストと共進化してきた利点を持ち、植物の成長と病気への抵抗を調節する上で高い期待が寄せられています。植物内生菌は、直接的または間接的に植物の成長と発達に影響を与え、その機能的価値は病気への抵抗力の向上から窒素固定やホルモンおよび酵素の合成を通じた植物の成長促進までさまざまです。その中でも、内生菌が植物の代謝に与える影響や植物に広がる広範な菌糸網は、内生菌がホストと内生共生微生物群の仲介者として機能する可能性を持たせています。一方、内生菌が内生共生微生物群内で提供する多様な生態系サービス機能は、その多様性によりホストに対して多くの生態系サービス機能を提供します。しかし、これらの微生物コミュニティの不均衡や機能の破壊は、植物の成長と発達に障害を引き起こし、病気の発生や収量の減少につながる可能性があります。植物プロバイオティクスの応用は、持続可能な農業栽培戦略として認識されており、プロバイオティクスがホスト植物に与える肯定的な効果は、単一の微生物の機能を超えています。さまざまな環境条件下での微生物叢のリモデリングが、植物プロバイオティクスの有益な生態系サービスにとって重要であるという証拠が増えています。

エンドファイト菌Phomopsis liquidambarisは、ピーナッツの連作によって引き起こされる生産障壁を軽減し、ピーナッツの収量を増加させることができました。この内生菌の効果的な植物内部への定着は、植物の成長、側根および根毛の成長、窒素の吸収と代謝を促進し、植物の生物および非生物ストレスに対する抵抗力を高めることができます。ただし、根の内生菌コアの微生物組成やその変動が植物の健康に与える影響についてはほとんど知られていません。研究者たちは、P. liquidambarisの定着が植物の適応を促進し、植物が連作土壌で繁栄するためのコア根内生微生物群集を再構築できると仮説を立てました。

研究者は、連続土壌でのエンドファイトマメミミック茎結節菌の接種がピーナッツの植物成長に及ぼす影響を評価し、連続植物の高さとバイオマスが非連続植物よりも有意に低いことを見出しました。ただし、P. liquidambarisに接種された処理群のピーナッツ植物は、全ての生殖段階で高さとバイオマスで成長の利点を示し、これらは対照処理群よりも有意に高かった。最終的な収穫量も有意に高かった。これらの結果は、P. liquidambarisがピーナッツの成長を促進し、連続栽培条件下でピーナッツを病気から保護することを示しています。一方、無処理下でのピーナッツの根腐れと葉斑病の発生が探究されました。非連続栽培処理群と比較して、連続栽培下でのピーナッツの葉斑病の重症度は結実時に、根腐れは苗期に有意に増加し、病気の重症度はそれぞれ47.62%と113.37%増加しました。ただし、P. liquidambarisに接種された連続土壌内のピーナッツの葉斑病と根腐れの重症度は、連続土壌と比較してそれぞれ27.41%と62.5%有意に減少しました。さらに、P. liquidambarisに接種後、土壌中の病原性菌の相対含有量は、Fusarium acuminatumとColletotrichum anthracnoseの相対含有量がそれぞれ48.2%と70.16%減少しました。

図1 ピーナッツ植物の成長と病気抵抗力の促進効果

さらに、研究者たちはP. liquidambarisの接種がピーナッツ内生細菌群に与える影響を調査し、その結果、ピーナッツ内生細菌群の組成が処置間で有意に異なることがわかりました。これは、P. liquidambarisの植物の異なる成長段階で内生細菌群の変化を引き起こし、遅い成長の根圏細菌やストレプトマイセスなどの潜在的な有益な細菌の豊富化を誘発したことを示唆しています。NetShift分析によると、Burkholderia spp.、Rhizobium spp. slow-growing、Pseudomonas spp.、およびStreptomyces spp.が、ピーナッツ根系の内生核微生物叢の主要な分類群である可能性があります。P. liquidambaris関連の内生細菌がピーナッツ植物の健康に与える影響を評価するために、Burkholderia spp.、Rhizobium spp. slow-growing、Pseudomonas spp.、Bacillus spp.、および内生核叢に関連するBacillus spp.の30株が選択されました。そのうち、15株は窒素を固定することができ、15株は無機リンを溶解することができ、10株はキチナーゼを産生することができ、11株はキシラナーゼを産生することができ、6株はセルラーゼを産生することができました。

潜在的な成長促進または抗菌活性を持つこれらの株の中から10株が選択され、合成コロニーを構築するために選択されました。合成コロニーで処理されたピーナッツの根の新鮮重量は、未接種処理のものよりも37.08％高かった。植物の新鮮重量は34.06％増加しました。さらに、合成コロニーの接種により、ピーナッツの根腐れの発生と土壌中のフサリウム・アクネスの含有量が減少し、ピーナッツの根の発育を促進することができました。内生菌P. liquidambaris単独および合成フローラは、ピーナッツの根腐れの重症度をそれぞれ51.26％、57.46％減少させました。ピーナッツの成熟時に、合成菌根フローラの適用は、地上部、根のバイオマス、ピーナッツの収量をそれぞれ35.56％、81.19％、34.31％増加させました。

この研究は、プロバイオティクスの多くの有益な効果、すなわち、根系のコア内生微生物叢を改善するために使用される誘導体としての内生菌を明らかにする新しい視点を提供します。これにより、植物の成長と病気への抵抗力が促進されます。

Fig. 2 合成フローラの病気抵抗性と成長促進効果