気候変動は植物の免疫システムを破壊します。再起動することは可能でしょうか？

雑草としては、 シロイヌナズナ（Arabidopsis thaliana）はなかなか魅力的な植物です。春のある日、駐車場の割れ目から芽を出し、白い花を咲かせているのを見かけるかもしれません。このことから「ネズミ耳クレス」という通称が付けられています。しかし、その丸い葉には、しばしば歓迎されない仲間がいます。その中には、Pseudomonas syringaeと呼ばれる細菌がいます。この細菌は、葉が水と二酸化炭素を取り込む気孔や傷口から、植物体内への侵入経路を探しています。そして、ここからが面白いところです。

通常、侵入の最初の警告は、植物細胞に防御機構を発動するよう指示する受容体から発せられます。最も重要なものの1つは、サリチル酸（SA）と呼ばれるホルモンです。これは、シロイヌナズナだけでなく、主要な農作物を含む多くの植物が感染を防ぐために利用しています。しかし、この春の日に異常な暑さがあったと想像してみてください。熱波が過ぎ去って数日後、植物の葉が黄色くなり、枯れているのがわかるでしょう。免疫システムが機能不全に陥っているようです。

デューク大学の植物生物学者、シェンヤン・ハー氏は、過去10年間の大部分を、植物の免疫システムが暑さの中で機能不全に陥る理由を研究してきました。これは分子レベルの謎であり、数十もの遺伝子を解析することで、気温がわずか数度上昇するだけで植物がSAなどの重要な化学物質を生成できなくなる理由を解明しようとしています。気候変動や熱波の激化と頻発化に伴い、あらゆる種類の植物でこのような機能不全がはるかに一般的になると考えられます。そして今回、ネイチャー誌に掲載された論文で、ハー氏のチームは、どのようにしてその免疫力を回復できるかを説明しています。

気候変動が植物に与える影響は一様ではありません。気温上昇と二酸化炭素_濃度の上昇によって光合成が促進され、植物の成長が促進される場合もあります。一方で、過熱によるストレスで植物が萎縮し、枯れてしまう場合もあります。気候変動の影響範囲も大きく異なり、場所によっては深刻な干ばつに見舞われる一方で、生態系は水没することもあります。全体として、このような急激な変化は、動物のように新しい生息地へ素早く移動できない生物にとって好ましくありません。また、温暖化が進む世界で害虫や病原体の種類が拡大し、人間への感染が増えることが予想されるのと同様に、植物も本来の生態系や農地で、新たな、あるいはより深刻な疫病に直面することになります。先週、香港中文大学の研究者らが発表した別の研究では、気候変動の影響により、世界の農作物収穫量は2050年までに20％減少する可能性があると予測されています。

しかし、熱の驚くべき影響は、植物の免疫システム自体に変化が起こることです。植物は、動物に見られるような適応免疫、つまり新たな微生物の敵との遭遇から学習し、再び直面したときにすぐに行動を起こす準備ができている細胞がありません。しかし、植物は他の防御手段を豊富に持っています。SA生成などの各化学反応は、さまざまなタンパク質を他のタンパク質に翻訳する多くの遺伝子の働きに依存しています。これらのステップは植物の通常の環境ではうまく機能しますが、熱などの外的要因によってプロセスが阻害されると、すべてが台無しになる可能性があります。「何百万年にも及ぶ進化について話しているのです」と、ハワード・ヒューズ医学研究所の研究員でもあるホー氏は言います。「過去150年間で状況は劇的に変化しましたが、その責任は人間にあります。」

彼は中国東部の農村で育ち、生育期には空気中に漂う農薬の匂いを今でも覚えています。小学校時代は、綿花についた毛虫をこじ開ける「害虫駆除隊」の一員として、他の子供たちと一緒に畑にいました。現在、研究室では、その正反対のことを主に行っています。つまり、植物に病原菌を接種することです。彼の目標は、特定の植物遺伝子の発現を増強または抑制した場合の影響を研究し、それらの遺伝子が免疫応答においてどのような役割を果たしているかを示す変化を見つけることです。

この研究の多くは、何博士の言葉を借りれば「植物の実験台」である丈夫なシロイヌナズナを対象に行われてきた。シロイヌナズナを完璧な実験対象にする理由はいくつかある。まず、この地味な雑草のゲノムはかなり短い。これが、シロイヌナズナが初めて全ゲノム配列を解読された植物となった理由の一つだ。もうひとつは、その遺伝子改変方法が独特だ。ほとんどの植物にとって、このプロセスは骨の折れる作業だ。新しい遺伝物質は、植物の細胞に入り込む細菌によってペトリ皿に導入される。そうなったら、改変された細胞を培養し、新しい根や茎へと誘導しなければならない。しかし、シロイヌナズナは近道を提供している。生物学者は、遺伝子を含む細菌が入った溶液にシロイヌナズナの花を浸すだけで​​、メッセージは直接種子に運ばれ、それを植えるだけでよい。骨の折れるほど時間がかかる植物学の分野で、これは驚異的なスピードで進んでいる。

それでも、SAを生成する遺伝子すべてが完璧な温室環境で何をするのかを解明するには何年もかかりました。それから初めて、ホー氏のチームは環境に手を加え、何が問題なのかを検証することができました。彼らの使命は、高温になったときにSA生成を遅らせている段階を制御する遺伝子（複数可）を見つけることでした。答えを見つけるのに10年かかりました。彼らは次々と遺伝子を改変し、植物に感染させてその影響を調べました。しかし、何をしても植物は病気で枯れてしまいました。「信じられないほど多くの実験が失敗したのです」とホー氏は言います。開花と成長に影響する熱応答性遺伝子を別の研究室で特定するなど、大きな手がかりはどれも悲惨な結果に終わりました。何世代にもわたる大学院生たちがこのプロジェクトを継続させました。「私の仕事は主に彼らの応援団になることです」と彼は言います。

ついに、研究室は成功の鍵となる遺伝子を発見した。CBP60gと呼ばれるこの遺伝子は、 SA合成に関わる多くの段階において「マスタースイッチ」として機能しているようだった。遺伝的指示を受けてタンパク質を生成するプロセスは、中間段階の分子的ステップによって阻害されていた。鍵となるのは、このプロセスを回避することだった。研究者たちは、ウイルスから採取した「プロモーター」と呼ばれる新たなコードを導入することで、植物にCBP60gの転写を強制し、SA合成経路を回復させることで、このプロセスを実現できることを発見した。この遺伝子にはもう一つ明らかな利点があった。この変化は、熱によって抑制されていた、あまり理解されていない病害抵抗性遺伝子の回復にも役立つようだったのだ。

彼のチームはその後、アラビドプシスの近縁種である菜種などの食用作物で遺伝子改変の試験を開始した。遺伝的類似性に加え、菜種は気温上昇の影響を受けやすい冷涼な気候で生育するため、研究に適した植物だと彼は言う。これまでのところ、研究チームは実験室で免疫反応を再び活性化させることに成功しているが、圃場での試験が必要となる。他に候補となる植物としては、小麦、大豆、ジャガイモなどが挙げられる。

SA経路の普遍性を考えると、賀氏の遺伝子治療が多くの植物に広く有効であることは驚くべきことではないと、コロラド州立大学の植物免疫専門家で、今回の研究には関わっていないマーク・ニシムラ氏は言う。しかし、これは生物学者が研究すべき多くの気候に敏感な免疫経路の一つに過ぎない。また、湿度の上昇や生育期全体にわたる持続的な暑さなど、熱波以外にも植物の免疫に影響を与える変数があるとニシムラ氏は指摘する。「すべての植物にとって完璧な解決策ではないかもしれませんが、何が問題なのか、そしてどのように修正できるのか、大まかな考えを与えてくれます」と彼は言う。ニシムラ氏は、これは基礎科学を用いて植物遺伝子を解読することの成果だと考えている。

しかし、これらがうまくいくためには、消費者が食品への遺伝子操作をより多く受け入れる必要があります。西村氏によると、そうでなければ作物の損失が増え、それを防ぐために農薬がさらに使用されることになるでしょう。「気候変動が加速するにつれて、私たちは研究室で情報を得て、それをより早く現場に持ち込まなければならないというプレッシャーにさらされるでしょう」と彼は言います。「遺伝子組み換え植物へのより一層の受容なしに、私たちがこれを実現できるとは思えません。」