酵母とバクテリアが協力して植物ホルモンを生合成し、雑草を駆除する

酵母とバクテリアが協力して植物ホルモンを生合成し、雑草を駆除する生物学

植物はホルモンを使って成長や発育を制御していますが、その中には過剰な出芽や分枝を防ぐストリゴラクトンと呼ばれるグループがあります。

今回、カリフォルニア大学リバーサイド校の研究者らは、初めて微生物からストリゴラクトンを合成しました。

この研究成果は、オープンアクセスジャーナル「Science Advances」に掲載されています。

また、ストリゴラクトンは、植物の根が微生物と共生関係を築くのを助け、植物が土壌から栄養分を吸収するのを可能にします。

この2つの要素により、農業分野では、栄養分の吸収を改善するだけでなく、雑草や根の寄生虫の成長を抑制するためにストリゴラクトンを使用することが注目されています。

しかし、これらの根出し化合物にはリスクがないわけではありません。

また、ウィッチウィードやブルームラップの発芽を促進し、穀物全体の収穫ができなくなる可能性があるため、商業的な開発の前には徹底した研究が必要です。

このように多様なホルモンが植物の中でどのような生理的役割を果たしているのか、科学者たちはまだ解明されていません。

これまでは、科学的研究のために純粋なストリゴラクトンを製造することは困難で、農業用に使用するにはコストがかかりすぎました。

カリフォルニア大学リバーサイド校の化学・環境工学助教授であるYanran Li氏は、「今回の研究は、ストリゴラクトンの生合成と進化を研究するためのユニークなプラットフォームを提供するとともに、ストリゴラクトンの微生物によるバイオプロダクション・プロセスを開発して、代替原料として利用するための基礎を築くものです。」と述べています。

Li氏は、共同執筆者であるシンガポール国立大学のKang Zhou教授とともに、ストリゴラクトンの生産に関連する植物遺伝子を普通のパン酵母と非病原性大腸菌に挿入し、それらの細菌がさまざまなストリゴラクトンを生産するようにするグループを指揮しました。

酵母からストリゴラクトンを生産することは、非常に難しいことでした。

人工酵母は、カルラクトンと呼ばれるストリゴラクトン前駆体を修飾することが知られていますが、研究者が使用した特定の遺伝子ではカルラクトンを合成することができませんでした。

「このプロジェクトは2018年初頭に始まったにもかかわらず、20カ月以上にわたって基本的に進展がありませんでした。ゲートキーピング酵素であるDWRF27は、酵母でどうやっても機能しないのです。Kang氏は2015年にタキソール前駆体を生産するための微生物コンソーシアム技術を開発し、それがこの素晴らしいコラボレーションのきっかけとなりました。」とLi氏は述べています。

研究チームは、すでにカルラクトンを生産できることが明らかになっていた大腸菌に注目しました。

しかし、生成されたカルラクトンは不安定で、人工的に作られた大腸菌では、さらにストリゴラクトンに改変することができませんでした。

Li氏のグループは、カルラクトンの前駆体を最適化し、安定化させることに成功しました。

嬉しいことに、酵母と細菌を同じ培地で一緒に培養すると、大腸菌と酵母がチームワークを発揮したのである。

大腸菌がカルラクトンをつくり、酵母がそれをさまざまなストリゴラクトンの最終生成物に変化させたのです。

この方法では、抽出して研究するのに十分な量のストリゴラクトンが生成されました。

このプラットフォームを使って、研究グループは複数のストリゴラクトン生合成酵素の機能を特定し、スイートオレンジとブドウがオロバンコール型のストリゴラクトンを合成する可能性があることを示しました。

また、微生物の代謝を操作することで、ストリゴラクトンの生産量を3倍に増やし、科学的研究に十分な1リットルあたり47マイクログラムにしました。

ストリゴラクトンの商業生産はまだ先の話ですが、酵母と細菌のコンソーシアムからストリゴラクトンを生合成する新しい方法は、この重要な植物ホルモン群について、特に関係する酵素について科学者たちがより深く知るのに役立つでしょう。

酵素はタンパク質の触媒であり、酵母によるカルラクトンの修飾を担っています。

カルラクトンは不安定なので、商業的に購入することはできません。

そのため、多くの植物科学者は、カルラクトンをストリゴラクトンに変換するために働く可能性のある新しい酵素の研究に苦労しています。

「酵母とバクテリアの共培養は、バクテリアがその場でカルラクトンを作るため、研究者がそのような研究を行うのに便利な方法です。」とZhou氏は述べています。

「さらに多くの酵素を発見し、微生物コンソーシアムを最適化することで、将来的にはストリゴラクトンを大量に製造することができます。」と述べています。

Published by University of California – Riverside. Sheng Wu et al, Establishment of strigolactone-producing bacterium-yeast consortium, Science Advances (2021). DOI: 10.1126/sciadv.abh4048
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