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横浜市立大学木原生物学研究所 清水健太郎客員教授（チューリッヒ大学 研究所長?教授兼任）および北海道大学大学院地球環境科学研究院 佐藤安弘助教、龍谷大学農学部 永野惇教授（慶應義塾大学先端生命科学研究所 特任教授）らの研究グループは、磁石の相互作用の物理理論をDNA配列解析に適用する新手法Neighbor GWAS^＊１を开発し、それを用いて异なる遗伝子型の植物を混ぜて植えることによって、昆虫による虫害を减らすことに成功しました（図１）。本研究を农业に応用することで、环境保全や生物多様性保全などの厂顿骋蝉や、农林水产省「みどりの食粮システム戦略」の推进に贡献していくことが期待されます。

本研究成果は、国際科学誌「Nature Communications」に掲載されました（日本時間2024年10月７日18時）。

人間と同様、植物も周りの個体と相互作用しながら生きています。人間で考えてみても、周りの人間が感染症 に弱ければ自分もうつされる可能性が上がりますが、周りの人間が病気に強ければうつされる可能性は下がると考えられます。植物も同様で、種内には遺伝的多様性があり、いろいろな遺伝子型^＊２の植物を混ぜて植えたときに、 組み合わせによっては病虫害に強くなることがあります。これを連合抵抗性^＊３といいます。また、正の生物多様性効果^＊４ともいいます。しかし反対に、周りの植物个体の遗伝子型によっては、自分も病害虫にかかりやすくなるといった状况も起こり得ます。（図２）

厂顿骋蝉に挙げられる现代社会の课题として、食粮保障と环境?生物多様性保全は共に必须ながら、必ずしも相容れない困难な课题です。食粮保障にとって病虫害は深刻であり、农业の现场では杀虫剤などの化学薬品は重要です。しかしながら、杀虫剤は环境にとって重要な昆虫の生物多様性を减少させてしまいます。农林水产省の「みどりの食粮システム戦略」でも、化学农薬の使用料50%低减が掲げられています。そこで、连合抵抗性は、生物多様性を保全しつつ食粮生产を确保する新规手法として期待されます。

しかし、どの组み合わせで混ぜて植えれば病虫害に强くなるのでしょうか。たとえば、199种类の植物系统から2系统をとって组み合わせをすると、组み合わせは19,701通りもあり、全ての组み合わせの结果を実験で确かめるのは非现実的です。そのため、これまでに遗伝子レベルから个体间の相互作用を解析する手法はほとんど开発されていませんでした。

清水客員教授、佐藤助教、永野教授、チューリッヒ大学 清水（稲継）理恵グループリーダー、Bernhard Schmid名誉教授、龍谷大学 武田和也 研究員（当時）のグループは、まず日本とスイスの野外圃場で2年にわたり大規模な植物栽培実験を行いました。世界中で収集されたモデル植物シロイヌナズナの199種類の系統については、すでにゲノムDNA情報が使用可能です。そこで、199系統それぞれ約32個体の全てをランダムに混ぜて植えて、計約6,400植物個体を観察しました。真夏の炎天下で、延べ52,007個体の昆虫を観察して虫害の度合いを記録する大変な野外実験を実施しました。

これまで、どのようなゲノム領域が、連合抵抗性など隣り合う植物個体間の相互作用に重要か解析する手法はありませんでした。そこで、本研究グループでは、新たな解析手法Neighbor GWASの開発を進めてきました。これは、物理学で磁石の相互作用の解析に使われるイジングモデル^＊５を、近くの植物个体同士の相互作用に适用して、どのような遗伝子顿狈础配列を持つ个体同士が隣り合った场合に虫害にどのように影响するかを、実际の野外実験の结果から解析する手法です。この解析の结果、ある植物个体の虫害の度合いは、その个体が持っている遗伝子顿狈础配列のみならず、周りの个体が持っている遗伝子顿狈础配列にも影响を受けることが示されました。この结果は、ヒトと同様に、植物の病虫害の度合いも集団内の他の个体に影响を受けることを意味します。

この新手法Neighbor GWASの解析から、数多くの遺伝子が周りの個体との相互作用に関わっていることが示されました。そこで、機械学習の手法であるLASSO回帰 ^＊６を用いて、ゲノム配列多型情报から虫害の予测（ゲノミック予测）を行いました。その结果、遗伝子型を2种类ずつ组み合わせて混ぜて植えた场合、96%の组み合わせでは虫害が悪化してしまいますが、4%の组み合わせでは连合抵抗性によって虫害を减少させることができる、と予测されました。

そこで再び2年間かけて野外圃場で約2千植物個体を植えて、連合抵抗性を検証する大規模野外実験を行いました。１つだけの系統を植える場合に比べて、2つの系統を混ぜて植えることで、虫害を18-30%も減少させることができました。つまり、Neighbor GWASの解析 により連合抵抗性によって虫害を減少させる組み合わせを発見することに成功しました。言い換えると、種内の遺伝的多様性を利用した正の生物多様性効果によって、虫害を減らすことができました

近年、コムギやイネなど農業的に重要なさまざまな種についてゲノム情報が整ってきているため、新手法Neighbor GWASで連合抵抗性に有効な遺伝子型を予測し実証することが現実的になっています。

過去の研究で、特定の異なる植物種を混ぜて栽培すると病虫害を減らせることは知られており、南アメリカの伝統的農法ミルパなどでは実際に実践されてきました。しかし機械を用いる近代大規模農業では、異なった種を混ぜて栽培すると収穫などの管理が難しくなり、現実的ではありません。本研究では１つの種の中の遺伝的多様性に着目し、種内の異なる系統を混ぜて植えることで連合抵抗性を実現しました。さらに本研究では、収穫期がほとんど同じ 2系統で実証しており、農業的に重要な種でも同様に、既存の農業設備?手法を用いて栽培できる可能性が期待されます。

ヨーロッパ诸国などでは、生物多様性?环境保全の観点から、化学农薬の使用を制限する法律がすでに施行されています。その结果、农业の现场で病虫害が防ぎきれなくなることが悬念されます。日本の农林水产省の「みどりの食粮システム戦略」でも、化学农薬の使用料50%低减が掲げられていますが、食粮安定生产と生物多様性?环境保护を両立させるのは容易ではありません。本研究は、二重の意味で生物多様性の重要性を示しています。まず、作物自身の生物多様性（种内の遗伝的多様性）を利用することで虫害を减らすことができ、さらに、农业の现场での杀虫剤の使用を低减することで昆虫などの生物多様性保全につなげられます。

さらに本研究は、基礎研究の観点からみて、植物個体間の相互作用研究のランドマークともいえます。本研究で扱った虫害に対する連合抵抗性は、おそらく植物間のコミュニケーションの氷山の一角です。生殖や資源をめぐる競争などの観点からも、新手法Neighbor GWAS を用いることで、植物個体間の相互作用の重要性が今後ますます明らかにされていくと期待されます。本研究でも、揮発性物質の生産を駆動する植物ホルモンであるジャスモン酸 ^＊７に関わる遗伝子群を通じて、挥発性物质を介した植物同士のコミュニケーションが関わっている可能性が示されました。植物同士の相互作用のメカニズムには、挥発性物质の他にも、根を介したコミュニケーション、太阳光の避阴、昆虫を介した间接的相互作用など様々な可能性があります。これまで植物の遗伝子研究はほとんど実験室内の制御环境下で行われてきましたが、本研究のように野外圃场环境で研究することによって、未知の植物のコミュニケーションメカニズムの発见につながることも期待されます。

本研究は、文部科学省科研费学術変革領域研究（A）「挑戦的両性花原理」、「植物気候フィードバック」、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業JPMJCR16O3、JPMJCR15O2（CREST「環境変動に対する植物の頑健性の解明と応用に向けた基盤技術の創出」）、さきがけJPMJPR17Q4（さきがけ「フィールドにおける植物の生命現象の制御に向けた次世代基盤技術の創出」）、京都大学生態学研究センターの共同利用?共同研究事業、スイス科学財団などの支援を受けて実施されました。

タイトル： Reducing herbivory in mixed planting by genomic prediction of neighbor effects in the field
著者： Yasuhiro Sato, Rie Shimizu-Inatsugi, Kazuya Takeda, Bernhard Schmid, Atsushi J. Nagano, Kentaro K. Shimizu
掲載雑誌： Nature Communications
顿翱滨：

＊1 ゲノムワイド関連解析（GWAS)：ある生物種の多数個体のゲノムDNA全体の遺伝子多型情報と形質情報をもちいて、その形質（たとえば連合抵抗性など）と関連する遺伝子多型を探索する手法。ヒト疾患遺伝子や有用植物の農業形質関連遺伝子の探索に用いられる。

＊2 遺伝子型：ある生物の個体が持っている遺伝子 の組み合わせのタイプ。

＊3 連合抵抗性：周囲に自身と別の種もしくは遺伝子型の植物が生育していると、ある個体に対する虫害の度合いが軽減する現象。

＊4 正の生物多様性効果 ：特定の場所における種や遺伝子型の多様性が高いほど、生態系機能が高くなる効果。生態系機能の例としては、収量の増加や病害虫の抑制など、我々にとって好ましい様々な要素があてはまる。

＊5 イジングモデル：磁石などの磁性体の性質を表す統計力学のモデル。N/S極の2つの状態をとるスピン（格子点）から構成され、隣接するスピンの状態が相互作用と外部から与えられた磁場の力によって更新される。生物学では、表皮の模様や森林の更新など、様々な空間パターンの解析に応用されている。

＊6 LASSO回帰：Least Absolute Shrinkage and Selection Operatorの略。機械学習による基本的な回帰分析の１つ。たくさんの説明変数に対して変数選択と係数推定を同時に行うことができる。

＊7 ジャスモン酸：重要な植物ホルモンの１つ。果実の着色や病害虫に対する防御応答などを制御する。

横浜市立大学　広报担当
mail:koho@yokohama-cu.ac.jp