植物は風邪をひいたり、熱が出たりしますか？ ——植物の攻撃と防御

制作：中国科学普及協会

著者: 高開星 (中国科学院微生物研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

秋が遅くなり、季節が秋から冬に移り変わると、必然的に周囲でくしゃみの音が聞こえやすくなり、発熱の症状が出る人も多くなります。これは免疫反応と呼ばれ、外部環境、特に病原微生物の侵入に対する人間のストレス反応でもあります。

しかし、植物がそのような環境に直面したとき、自らを守るために免疫反応などの一連の「武器」に頼るのではないかと考えたことがあるでしょうか。答えはイエスです。この記事では、植物と侵入者との間の攻撃と防御の戦いについて説明します。

リモートマジック：二次代謝産物の合成と放出

植物は自然の貴重な宝であり、柔軟な戦士とも言えるでしょう。害虫や病原微生物の侵入や干渉に直面した場合、彼らは遠距離の「魔法」と近距離の「武器」に頼って、危害から身を守ります。

植物二次代謝産物は、植物特有の「魔法」攻撃の一種です。これらは、特定の匂い、味、毒性を持つ小分子有機化合物であり、通常はテルペン、フェノール、窒素含有化合物の 3 つのカテゴリに分類されます。これらの物質は人間には見えず、触れることもできませんが、早期警戒信号を出す、摂食昆虫を追い払う、天敵昆虫を引き寄せる、昆虫の摂食量や頻度を減らす、昆虫の成長や発育を阻害する、昆虫の消化器系に影響を与える、昆虫の「繁殖」に直接影響を与えるなど、多様な機能を持っています。それらは植物が害虫を避け、被害を軽減するのに効果的に役立ちます。

図1 昆虫は二次代謝産物を生産する植物を食べた後に生存率が低下する

（画像出典：著者提供）

二次代謝産物の長距離防御効果は、主に次の 3 つの側面で現れます。

まず、植物は二次代謝産物を利用して、体全体を戦闘準備状態に活性化することができます。 2018年9月、日本の埼玉大学と米国のウィスコンシン大学の研究者らは、植物が外傷を受けた後、機械的損傷の信号物質としてグルタミン酸を放出し、それによって植物自身の全身防御反応を事前に活性化し、草食動物による被害を軽減することを発見した。

第二に、植物は匂いの信号を発することで、危険が迫っていることを「仲間」に警告することもできます。例えば、2022年3月、日本の複数の科学研究機関の研究者らは、ミントの葉が草食動物の攻撃を受けて損傷し、損傷の化学信号を放出することを発見した。近くに植えられた大豆とナズナは、この化学信号に反応して葉の防御遺伝子の発現をアップレギュレーションし、抗草食動物防御システムを活性化し、それによって植物間の協調的な抵抗力を実現します。

3つ目に、植物は目の前の問題を解決できない場合、助けを求めるために「救難信号」を発します。ドイツのマックス・プランク生態学研究所の研究者らは2010年、タバコの植物が毛虫に噛まれると、刺激を受けて緑の葉の中に揮発性物質が放出され、毛虫の天敵である「虫」が餌を求めて前に出てくるという、「カマキリが蝉を追いかけるが、背後にいるコウライウグイスには気づかない」というドラマを再現することを発見した。

近接防御：3つの魔法の武器

植物の「長距離魔法」は万能ではありません。 「壁と戦う」すべての草食動物や病原菌に抵抗できるわけではありません。このとき、役割を果たすためには、体内にぴったりとフィットする「鎧」と抵抗物質を持たなければなりません。植物の防御機構は、主に次の 3 つの部分に分けられます。

（１）プレハブバリア

植物の表面にある厚い表皮ワックス、シリカ、硬いクチクラが鎧の骨組みを形成します。針、トゲ、フック、毛などの構造を鎧に加工することで、動物に食べられる可能性や食べることによる被害を効果的に減らし、病原菌の侵入も効果的に防ぐことができます。

図2 植物表面のプレハブバリア

（写真提供：veer gallery）

（２）植物細胞防御

人体が病原体に侵入されると、体内の白血球が大量のサイトカインを分泌して侵入者を攻撃します。これらのサイトカインは発熱物質として作用し、体内で大量の熱を発生させ、発熱症状を引き起こします。

賢い植物についても同じことが言えます。植物の免疫システムは、病原体/昆虫の表面の特徴を認識し、一連の防御タンパク質を合成して病原体の侵入を阻止します。脅威が「骨髄」の奥深くまで侵入すると、植物は自らを守るために新たな防御反応を開始しなければなりません。このとき、侵入者は一連の「槍」（エフェクタータンパク質）を分泌して植物の防御タンパク質を攻撃し、植物は攻撃に抵抗するために「盾」（抗病原タンパク質）を生成します。両者は激しい「偵察と反偵察」の戦いを開始する。

植物がこのような基本的な防御反応で病原体を抑制できない場合、病原体の感染部位の周囲の細胞を意図的に自殺させ、病原体の拡散を抑制します。これは植物の代替的な発熱反応、つまり植物アレルギー性壊死反応として見ることができます。

（３）微生物群集の駆動

植物が生育する環境は複雑かつ多様であり、特に根の周りの土壌や空気に触れる葉の表面などには、多数の微生物群集が存在することが多い。 2019年11月、オランダのワーゲニンゲン生態学研究所の研究者らは、病原菌が植物に感染すると、植物と共存する細菌群集が代わりに抗真菌エフェクターの生成に前進することを発見した。言い換えれば、植物の内生菌叢は病原体を感知し、抵抗力を発達させる[4]。偶然にも、ドイツのマックス・プランク植物育種研究所の研究者らは2021年に、脅威に直面した植物は、土壌中の有益な微生物を呼び寄せて防御力を高める「助けを求める」戦略を採用することを発見した[5]。これらの新たな発見は、植物環境中の微生物資源が将来、環境に優しく無毒な方法で植物を保護する有益な手段として役立つ可能性があることを示しています。

上記の内容から、植物は動物のように自由に動いて危害を避けることはできませんが、固定成長の特性により、長期の進化の過程で多くの洗練された防御方法を獲得し、遠距離攻撃と近距離防御を組み合わせて最も適切な防御メカニズムを備えていることがわかります。

現時点では、人類は植物の防御機構を理解するためにさらなる探究を必要としています。偉大な知恵はしばしば小さな命の中に隠されています。植物自身の防御機構を適切に利用することで、人類は環境に優しく、安全かつ効果的な方法で作物を保護し、経済的な生産損失を減らし、食糧安全保障システムを確保することができます。また、将来的にはより洗練されたメカニズムが探求され、発見されることを期待しています。

編集者：孫晨宇

参考文献:

【1】Toyota M、Spencer D、Sawai-Toyota S、Jiaqi W、Zhang T、Koo AJ 他グルタミン酸は、カルシウムをベースとした長距離の植物防御シグナル伝達を引き起こします。科学。 2018;361:1112-15. https://doi.org/doi:10.1126/science.aat7744

【2】小野里 宏・藤本 悟・樋上 剛・坂本 剛・山田 明・鈴木 剛・他揮発性シグナル伝達とそのエピジェネティック転写を介した持続的な防御応答。植物生理学。 2022年; 189:922-33. https://doi.org/10.1093/plphys/kiac077。

【3】Allmann S、Baldwin IT.自然界では、昆虫は緑の葉の揮発性物質を急速に異性化することで捕食者に身をさらします。科学。 2010年; 329:1075-78. https://doi.org/doi:10.1126/science.11​​91634。

【4】カリオン VJ、ペレス＝ハラミージョ J、コルドベス V、トラカンナ V、デ・ホランダー M、ルイス＝バック D 他病原体による内生根微生物叢の病気抑制機能の活性化。科学。 2019;366:606-12. https://doi.org/doi:10.1126/science.aaw9285。

【5】Hou S、Thiergart T、Vannier N、Mesny F、Ziegler J、Pickel B 他微生物叢-根-シュート回路は、最適ではない光の下では防御よりもシロイヌナズナの成長を優先します。自然の植物。 2021;7:1078-92. https://doi.org/10.1038/s41477-021-00956-4。