早く見て！科学者が地下王国のダークウェブ取引のコードを解読

『チャイニーズ・ゴースト・ストーリー』という話を聞いたことがありますか？この物語では、鼓蘭寺に千年も生きる木の悪魔が潜んでいて、聶小千を含む一群の侍女を雇っています。木の悪魔は彼女らに隠れ場所を提供し、そのお返しに、聶小千と他のメイドたちは木の悪魔の仕事を手伝う必要がありました。

この一見魔法のような計画には、実は自然界で同様の取引があることをご存知ですか?自然界の木々はドライアドのようなものです。水分と栄養分をよりよく吸収するために、根に微生物群集が集まります。しかし、自然界の「木の精霊」と微生物は、互いに友好的に協力し合っています。他の菌類に害を与えないだけでなく、有益な菌類も生産します。

木の悪魔は大きな力を持っていますが、それでも Nie Xiaoqian や他の人たちの助けが必要です。同様に、木々、特にポプラの根は、水や窒素、リンなどの栄養素を吸収するために、地下の菌類や細菌に頼ることが多いです。

これを聞いて、あなたもこのような「取引」に興味を持ちましたか？以下で一緒に調べてみましょう。

菌類と根はどのように協力関係を築くのでしょうか?

樹木の根と地下の微生物群集の間には明確な役割分担があり、異なる細菌群集が異なる役割を果たすことになります。例えば、窒素固定細菌は空気中の窒素を固定するのに優れています。

これらの微生物群は吸収した水分と栄養素を木に移します。その見返りとして、木の根は地下の微生物群に隠れ家を提供し、その食物として糖分を分泌します。

これらの微生物群は自然界の菌根菌であり、トリュフ、マツタケ、ポルチーニなどおなじみの「光り輝く菌類」もそのひとつです。これらの菌根の形成には、まず特定の植物の根を持つ菌根の形成が必要であり、菌糸の一方の端は植物の根の奥深くまで浸透し、もう一方の端は土壌まで伸びます。

菌根

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菌根の協力関係は古くから知られていましたが、菌根の具体的な形成メカニズムはまだ不明であり、菌類と根がどのように協力関係を築くのかはわかっていません。

この「地下取引」がどのように行われているのかを解明するため、蘭州大学の若手研究者張鋒のチームはポプラの菌根の形成を長年追跡・研究し、地下の「聶小千」が樹鬼とどのように接触し、「陽のエネルギー」（水分と栄養分）を吸収し、その陽のエネルギーを樹鬼に伝達するのかを解明しようとしてきた。

ついに、たゆまぬ努力の末、若手研究者の張鋒氏のチームは、フランス国立農食環境研究所（INRAE）のフランシス・マルタン氏の研究グループと共同で、雑誌「New Phytologist」に論文を発表しました。 「外生菌根担子菌Laccaria bicolorは共生関係の確立に重要な役割を果たすGH28ポリガラクツロナーゼを放出する」と題された論文により、上記の混乱はようやく解決されました。

張鋒氏の研究グループはポプラを研究対象として、ポプラの外生菌根と宿主植物との相互作用のメカニズムを探り、菌根菌が地下に存在する巨大なネットワークを通じてポプラの根とつながりを確立できることを発見した。

では、根圏細菌の菌糸はどのようにして植物の根に入り込むのでしょうか?あるいは、地下取引のパスワードは何でしょうか?

菌糸体と植物は協力する必要があるが、それらをどのように「接続」するかという問題はまだ解決されていない。菌糸が植物に付着する場所は、地下の根の部分です。しかし、菌糸が植物の根にうまく侵入するのは簡単なことではありません。一方では、植物の細胞壁を突き破る必要があり、他方では、植物の免疫反応を最小限に抑える必要があります。

そのため、外生菌根菌は妥協策を選択しました。つまり、植物細胞の内部に侵入するのではなく、植物細胞の間質マトリックスに存在し、両者が「取引」を行う場所であるハスケルネットワーク構造を形成しました。

この Haskell ネットワークは、菌根と根が秘密裏に地下で取引を行うチャネルのネットワークに似ています。しかし、Haskell ネットワークの形成で最初に直面する困難は細胞壁です。細胞壁を突破することによってのみ、細胞間マトリックスに到達できます。

高等植物の細胞壁は主にペクチン、セルロース、ヘミセルロース、リグニン、タンパク質で構成されており、これらは互いに架橋されています。ペクチンは「架橋剤」に似ており、細胞の形態を維持し、細胞の機械的強度を高め、細胞の生理活動に関与することができます。

これまでの研究では、真菌の菌糸の成長中に発生する圧力によって細胞壁が完全に分解されることが示唆されている。この侵入方法は比較的「暴力的」であり、細胞拒絶反応を引き起こしやすい。

しかし、分子生物学の発展により、科学者は、菌根の形成中に、強力な助力者である細胞壁加水分解酵素（PCWDE）の助けを借りて、菌根が比較的穏やかに細胞壁に入ることができることを発見しました。そのうちのポリガラクツロナーゼ（エンド酵素）は、菌糸が根の細胞壁を突き破る上で重要な助けとなると考えられます。

菌糸体

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これまでの研究では、ポリガラクツロナーゼが多くの病原菌が植物細胞壁を破壊（消化・分解）するプロセスで重要な役割を果たすことが示されていますが、この発見は菌根では検証されていません。

では、エンドヌクレアーゼが菌糸が細胞壁を突き破るプロセスに関与し、重要な役割を果たしていることを科学的に証明するにはどうすればよいでしょうか。

これは、菌根形成中のエンドヌクレアーゼの発現（活性）に依存します。菌糸が細胞壁に入る過程で酵素が比較的活性で発現が良好であれば、その過程で役割を果たしていることが確認できます。

実験の結果、外生菌根菌とポプラの間で菌根が形成される際に、エンドヌクレアーゼの反応が比較的活発であることがわかりました。菌糸上の発現レベルと比較すると、エンドヌクレアーゼは細胞壁に入る過程で 2.3 倍にアップレギュレーション (増加) されました。

これは、エンドヌクレアーゼが菌糸体の重要な助っ人であることを実験的観点から確認しています。それは、細胞壁と交渉し、細胞壁を柔らかくして菌糸がポプラの根に侵入できるように説得する、交渉の達人のような存在です。

具体的なプロセスは、エンドヌクレアーゼがポプラ細胞壁のペクチンを改変して細胞壁を柔らかくするというもの。これは、菌糸が細胞壁に入りやすくなるようにトンネルを掘るのと似ています。このモードは細胞壁を除去するよりも穏やかです。

アンダーグラウンドダークウェブの取引プロセス

前回は、エンドヌクレアーゼの助けを借りて菌糸が植物細胞に侵入するプロセスを直接検証しました。しかし、このプロセスに影響を与える他の要因はあるのでしょうか?この問題を明らかにするためには、反対側からも検証する必要があります。つまり、このエンドヌクレアーゼがなければ、真菌の菌糸は細胞壁に入ることができません。このようにして、より完全な実験ロジックを得ることができます。

具体的にどうやって達成するのでしょうか?これには、高度な実験である RNA 干渉実験を使用する必要があります。 RNA 干渉実験の助けを借りて、エンドヌクレアーゼの発現を減らし、「何の努力もせずに機能させる」ことができます。

同時に、上記の質問に答えるには、免疫局在化と免疫コロイド金電子顕微鏡法という一連の高度な方法と機器を使用する必要があります。これら 2 つの「魔法の武器」の助けを借りて、実験の全プロセスを見ることができます。

写真は菌根化したポプラの根を示しています。つまり、菌糸がポプラの根の奥深くまで浸透しています。緑は菌類の細胞壁への結合を表し、赤はポプラの細胞を表します。

画像出典：張鋒提供

上の図から、RNA干渉試験（ab）を実施しなかった場合、菌糸が細胞壁を突破した後、ポプラの根元に取引ネットワークプラットフォーム（ハステロイネットワーク）を形成し始めたことがわかります。菌根は水と栄養素（主に窒素）を吸収し、この Haskell ネットワークの助けを借りてそれらを植物に渡します。

RNA干渉実験を行ったところ、エンドヌクレアーゼの活性が低下し、菌糸が細胞壁に入り込んでハステロイネットワークを形成できなくなりました。

これは、細胞壁への侵入におけるエンドヌクレアーゼの役割を肯定的にも否定的にも示しています。

画像提供: 張鋒

それだけでなく、エンドヌクレアーゼが細胞壁に入るプロセスも以前のモデルとは大きく異なります。これまでの研究では、菌糸が細胞壁に入り込むと、激しい破壊のように細胞壁を完全に分解することが示されています。

しかし、この実験では、エンドヌクレアーゼの助けを借りて菌糸が細胞壁にトンネルを掘り、細胞壁に入る際に細胞壁の構造を破壊しないことが判明しました。この「穏やかな」アプローチは細胞免疫拒絶反応を引き起こす可能性が低く、細胞がより受け入れやすくなります。新しいモデルです。

菌類と根の間の地下での取引コードが解読され、人類による菌根の利用を促進する上で重要な役割を果たす可能性があり、この研究が将来人類にさらなる利益をもたらすことを期待しています。

注: ラテン語名は本文中では斜体で表記してください

参考文献:

Zhang F、Labourel A、Haon M 他。 2022. 外生菌根担子菌Laccaria bicolorは共生関係の確立に重要な役割を果たすGH28ポリガラクツロナーゼを放出するNew Phytologist, 233: 2534–2547

制作：中国科学普及協会

著者：Zhao Xumao（蘭州大学若手研究員）

プロデューサー: 中国科学博覧会