English / Japanese
資源生物創成学研究室
トップへ戻る
|
ファイトプラズマとは？
ファイトプラズマは、1967年にマイコプラズマ様微生物（mycoplasma-like organism,
MLO）として当研究室の故土居養二博士（東京大学名誉教授）らにより世界に先駆けてわが国で発見された植物病原微生物です (土居ら,
1967)。ヨコバイ等の吸汁性昆虫や栄養繁殖を介して伝搬され、多様な植物に感染し、世界中で1,000種類以上の病気を引き起こす重要病原体であると
ともに、植物に黄化・萎縮・叢生・てんぐ巣・葉化・突き抜けなどのユニークな病徴を引き起こします。実は身近な病原体でもあり、葉化症状を呈するアジサイ
が品種登録されていた事例や、ポインセチアの萎縮・叢生形態にファイトプラズマが利用されているという事例が知られています。
ファイトプラズマによるユニークな病徴
黄化：養分欠乏のような葉の黄化症状
萎縮：茎や葉の生長が害され、著しく萎縮・矮性となる症状
叢生：側枝が異常に出現する症状
てんぐ巣：側芽が異常に発達し、小枝が密生する症状
葉化：花弁やがく・雌しべ・雄しべが葉に置き換わる症状
緑化：葉緑素が存在するために花弁などが緑色を帯びる症状
|
|
ファイトプラズマ研究の背景
日本において、ファイトプラズマ病は少なくとも江戸時代から発生し、養蚕に必要不可欠なクワでは萎縮病による甚大な被害が続いていました。養蚕は明治時代
の最重要産業の一つであったため、1897年の帝国議会決議により調査委員会が設置され6年にわたる原因調査がなされましたが、過度な摘葉による生理障害
と結論され、真の原因解明には70年もの年月を要しました。1967年、土居らは電子顕微鏡を用いて、クワ萎縮病等の多くの発病植物の篩部細胞に微小細菌
が局在することを世界で初めて発見し、テトラサイクリンにより治癒することから動物マイコプラズマに似た微生物MLOと命名しました。その後世界中で
MLOの存在が追認され、少なくとも1,000種類以上の植物に感染し、食料生産確保・環境保全の両面において世界中で甚大な被害をもたらすことが明らか
になりました。MLOはヨーロッパのブドウやリンゴ、東アジアのイネやナツメなどの果樹生産において大きな脅威になっており、赤道地帯のココヤシのほか、
東南アジア一帯のキャッサバやサトウキビなど、開発途上国の農業生産に壊滅的被害をもたらす事例も知られています。
この新たな病原体の一群の発見は、農学のみならず、生物学の新ジャンルを拓く成果として世界中の注目を集めました。しかし、それから約半世紀を経ても培養法や形質転換系は確立されておらず、遺伝子レベルでの研究は遅れており、MLOの実態は長年にわたり不明でした。
|
MLOからファイトプラズマへーファイトプラズマ分子分類体系の確立
MLOの生物分類学的位置づけは長年不明であった上、MLO同士の関係性についても、形態が類似し培養もできないことから、比較解析は困難でした。その
ため、ファイトプラズマ病の発生が確認されると、宿主植物の種類ごとにファイトプラズマの名称（系統名）が与えられていました。その結果、国内で約40種
類、世界で1,000種類以上ものファイトプラズマ系統が報告される状況になり、MLOの明確な整理・分類の基準が必要とされていました。
こうした状況の中、当研究室においてファイトプラズマの分子レベルでの研究が開始されました (Namba et al., 1993a, b)。当時、分子生物学的な手法による系統分類法が考案されはじめており、当研究室では世界各地に発生するファイトプラズマの16S rRNA遺伝子のPCR増幅系を確立し分子系統解析をおこないました。その結果、MLOはMollicutes （モリキューテス）綱に分類される、分子系統学的に独立した一つの集団であることが明らかになりました（図1）。
従来MLOと称されてきた本微生物が動物マイコプラズマとは独立した集団であることが示されたため、MLOというそれまでの名称をファイトプラズマに変
え、属名をPhytoplasmaとすること、分子系統解析により分類されたサブグループについて、ラテン二名法により暫定種を命名すること等が提案さ
れ、承認されました (Namba et al., 1993b)。その後、暫定種の登録が進められ (Sawayanagi et al., 1999; Jung et al., 2002, 2003a, 2003b)、現在では国内で8種、世界で36種程度に整理が進んでいます。
図１ ファイトプラズマの分類
|
ファイトプラズマの全ゲノム解読
分類基準の制定により、ファイトプラズマの分子レベルでの研究が世界中で展開されることとなりました。ファイトプラズマの性状解明の手がかりをつかむため
に次の目標となったのはゲノム解析でした。世界各国でゲノムプロジェクトが進行するなか、2004年、当研究室において、世界で初めてファイトプラズマの
全ゲノム解読に成功しました（図2）。
この成果は、日本において植物病原細菌の全ゲノムを決定した事例としても初めてのことでした。ファイトプラズマゲノムは、DNA複製や転写、翻訳に必要な
基本的遺伝子を保持する一方で、アミノ酸合成系、脂肪酸合成系、TCA回路、酸化的リン酸化に関与する遺伝子を欠き、さらにペントースリン酸回路や
PTS、ATP合成酵素に関する遺伝子も欠いていて、自律増殖する生物において最少遺伝子を持つとされるマイコプラズマより代謝関連遺伝子が少ないことが
明らかになりました。これはファイトプラズマがマイコプラズマと異なり、細胞内寄生で栄養豊富な植物篩部に生息するため、退行的進化により遺伝子の多くを
失ったためと考えられました（図3）。逆に、ファイトプラズマゲノムには、マイコプラズマには無い膜輸送系遺伝子が多数コードされていました（図3）。
また、アミノ酸や糖、リンゴ酸などのほか、マンガンや亜鉛、マグネシウム、コバルトなど金属イオンの取り込みに関与する膜輸送系も数多くコードされ、植物
の生育に必要なこれらの金属イオンが、ファイトプラズマの感染により宿主から収奪され、ファイトプラズマ病に特徴的な病徴のひとつである養分欠乏に似た症
状を引き起こす一因になっている可能性が考えられました (Oshima et al., 2004 Nature Genetics)。本成果により、ファイトプラズマ研究のステージは一気にポストゲノム研究へと押し上げられることとなりました。
図２ ファイトプラズマのゲノムマップ
図３ ファイトプラズマの代謝系
|
媒介昆虫を決定する分子メカニズム
ファイトプラズマは、系統ごとに特定のヨコバイにより媒介され、他のヨコバイにより媒介されることはありません。人の病原体であるマラリアを含め、多く
の
昆虫媒介性病原体は特定の昆虫によって媒介されますが、その特異性を決めているメカニズムはこれまで不明でした。そこで、ファイトプラズマの媒介昆虫特異
性のメカニズムを解明する目的で、まずファイトプラズマの昆虫体内における局在を組織・細胞レベルで解析しました。ファイトプラズマの細胞膜上に豊富に存
在するAmpタンパク質に対する抗体を用いて免疫組織化学的観察を行ったところ、ファイトプラズマと昆虫のアクチンとの局在が一致していました（図4）。 そこで、Ampを結合させたアフィニティーカラムを作製し、これを用いてAmpと相互作用する昆虫宿主タンパク質を同定したところ、Ampは、媒介昆虫の細胞骨格であるマイクロフィラメントを構成するアクチンやミオシンと複合体を形成することが明らかになりました（図5）。さらに、このAmp –マイクロフィラメント複合体形成について異なる昆虫を用いて解析を行ったところ、ファイトプラズマ媒介能のある昆虫では複合体の形成が観察されました が、ファイトプラズマを媒介しない昆虫では複合体の形成が認められませんでした（図6）。これらの結果から、Amp -マイクロフィラメント複合体形成がファイトプラズマの媒介昆虫決定に大きく関与することが明らかになりました (Suzuki et al., 2006 PNAS )。
図４ 昆虫のアクチンとファイトプラズマAmpの局在
図５ Ampはマイクロフィラメントと複合体を形成する
図６ 昆虫宿主範囲とAmp-マイクロフィラメント複合体との関連性
|
植物にてんぐ巣症状を誘導する病原性低分子ペプチド「TENGU」
てんぐ巣や葉化などのユニークな病徴は、ファイトプラズマ研究において最も興味深いテーマの一つです。ファイトプラズマが菌体の外へと分泌するタンパク
質は、宿主細胞内に直接放出され、宿主細胞の代謝系に直接的に働きかけることができるため、病徴を誘導する病原性因子の最有力候補と考えられました。そこ
で、ファイトプラズマゲノムにコードされる分泌タンパク質遺伝子に焦点をあて、その病徴誘導活性のスクリーニングをおこないました。その結果、分泌タンパ
ク質のうちの一つを発現させた植物において、草丈の伸長が抑えられる「萎縮症状」と、枝分かれが異常に増加する「叢生症状」が認められ、これら症状はファ
イトプラズマ感染植物と酷似していました（図7）。
萎縮・叢生症状を呈する植物は、日本では古来より「てんぐ巣病」と呼ばれていたことから、萎縮および叢生症状を誘導するこの分泌タンパク質をてんぐ巣病の
誘導因子「TENGU」と命名しました。TENGUはわずか38アミノ酸からなるタンパク質で、植物に形態変化を誘導する植物病原細菌由来のペプチド性因
子は、世界で初めての発見でした。ファイトプラズマは篩部局在性ですが、ファイトプラズマ感染植物組織におけるTENGUの動態を調べたところ、
TENGUは植物の茎頂分裂組織（成長点）や側芽の分枝領域の細胞にまで移行していることが分かりました。また、TENGUを発現する形質転換植物におい
て特異的に発現が変動する植物遺伝子群を、マイクロアレイ解析によって特定した結果、植物ホルモンの一つであるオーキシンに関連した遺伝子群の発現レベル
が大きく低下していました。以上の結果より、TENGUはファイトプラズマから分泌された後、周囲の細胞や茎頂分裂組織へと移行し、オーキシン関連経路を
抑制して植物の形態形成に影響を与えることにより、てんぐ巣症状を引き起こすことが示唆されました（図8） (Hoshi et al., 2009 PNAS )。
図７ ファイトプラズマ病原性因子「TENGU」の同定
|
ファイトプラズマが花を葉に変えるメカニズム
花が葉になる「葉化」や、花から若芽が出現する「つき抜け」などの花器官における病徴も、ファイトプラズマが引き起こす非常にユニークな病徴です。近
年、花の形態形成に関わる植物の遺伝子群が明らかになってきたため、これらの中でも特に各花器官（がく、花弁、雄蕊、雌蕊）の形成を制御するA、B、C、
D、E遺伝子に着目し、ファイトプラズマの感染による影響を解析しました。A〜Eにより表されるこれらの遺伝子はいずれも転写因子をコードしており、それ
らがヘテロ四量体を形成する際の組合せにより、各花器官への分化が決定されます。葉化症状が見られた花器官では、そのヘテロ四量体の形成に必要な遺伝子の
一部の発現量が有意に減少していることが判明しました（図9）。
興味深いことに、発現量が減少した遺伝子の種類に一貫性はなく、例えば葉化したがくでは、がくの形成に必要とされるA、E遺伝子のうち、A遺伝子の発現が
抑制されていた一方、同じく葉化の見られた花弁では、花弁の形成に必要とされるA、B、E遺伝子のうち、A遺伝子ではなくB遺伝子の発現が抑制されていま
した。以上により、ファイトプラズマが花の形成に関わる遺伝子群に関して花器官ごとに巧みに発現制御をおこなうことによって、葉化を引き起こしていること
が示されました (Himeno et al., 2011 Plant Journal )。
本研究は分子レベルで葉化症状の原因を説明づけた世界で初めての成果となりました。今回得られた成果は、植物の花器官形成メカニズムの解明にもつながる普遍性があり、園芸品種の育成に応用することで病原体フリーの葉化品種の開発も期待されています。
図９ 花が形成される際の植物宿主側の遺伝子変動
|
動物・植物間のホストスイッチングに伴う環境適応
ファイトプラズマは昆虫−植物の宿主間を水平移動する「ホストスイッチング」により感染を拡大します（図10）。
昆虫と植物という全く異なる生物界の宿主に寄生する能力には興味が持たれてきましたが、その仕組みはこれまで謎に包まれていました。ホストスイッチングに
はファイトプラズマの遺伝子発現の切り替えが伴うと予想されたため、それら遺伝子を網羅的に調べるために、ゲノムデータ（図2）をもとに世界初となるファイトプラズマのDNAマイクロアレイを作製しました。マイクロアレイ解析の結果、ファイトプラズマは植物宿主と昆虫宿主とを移動するたびに、ゲノム全体の約1/3に相当する遺伝子の発現量を切り替えていることが明らかになりました（図11） (Oshima et al., 2011 PLoS One)。
特に、ファイトプラズマはそれぞれの宿主に合わせて、物質輸送を行うトランスポーターや浸透圧を調節するチャネル、糖を分解する酵素、宿主細胞内で働く分
泌タンパク質などを巧みに使い分けている点に興味が持たれました。そこで、実際に植物感染時に働く浸透圧調節チャネルの機能を、阻害剤を用いて抑制したと
ころ、ファイトプラズマの増殖を部分的に抑えることに成功しました。この結果は、ホストスイッチングの阻害・抑制が、特効薬が無く防除や予防が困難なファ
イトプラズマ病の新規防除法につながる可能性を示す成果です。
図10 ファイトプラズマのライフサイクル
図11 ホストスイッチングに伴うファイトプラズマの発現変動
|
ファイトプラズマ研究のこれから
ファイトプラズマ研究に分子のメスが入ってから20年、全ゲノム解読から10年が経過しました。この間、ファイトプラズマ研究は目覚ましい勢いで進展
し、当研究室の研究チームは常に世界をリードし続けてきました。特にこの10年のポストゲノム研究により、当初は想像もできなかったようなファイトプラズ
マの実体が私たちによって次々と解明されてきました。しかし、明らかになった部分はまだほんの一部であり、依然としてその性状の多くは謎に包まれていま
す。例えば、ファイトプラズマの極限にまで切り詰められてもなお生命として存在する代謝系の動植物宿主との物質のやり取りを通じた動的解明はまだ完全では
ありません。また、ファイトプラズマが植物に引き起こすユニークな病徴の生物学的意義や、植物宿主域の決定メカニズムも未だ明らかになっていません。そし
て、もちろんまだまだ未解明な状態の宿主である植物・昆虫そのものの実体解明へと私たちの研究の展開にはボーダーはありません。ファイトプラズマ研究はこ
の20年の間に驚異的に進化しましたが、まだ端緒についたばかりであり、これまでの知見を基盤に、新たなパラダイムを構築することが、今後の10年を切り
拓く重要な鍵となります。世界の食料生産・森林資源・緑地および住地環境に甚大な被害と脅威を与え続けているファイトプラズマ病の治療・防除技術のさらな
る進化に向けて、研究の飛躍が期待されます。 |
|
|
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)