おそらく、それは友好的なギブアンドテイクであると思われますが、どうやらこれはすべての共生に当てはまるわけではありません。研究者たちは、一部の植物と窒素固定細菌との関係における厳しい規則を発見しました。バクテリアは、強迫された状態でパートナーに肥料を届けるだけです。いわゆる根粒共生に関わるプロセスに関するこれらの新たな洞察は、農業をより持続可能なものにするのに役立つ可能性がある、と科学者らは述べている。
窒素なしでは何も機能しません。植物は成長するためにこの栄養素を吸収する必要があります。したがって、農業ではアンモニウムの形で大量に畑に散布されることがあります。しかし、肥料の製造はエネルギーを大量に消費し、大量のCO2を排出するため、環境の観点から問題があります。しかし、独自の窒素肥料を提供する作物もいくつかあります。インゲン豆、エンドウ豆、大豆などのマメ科植物は、根に小さなアンモニウム工場を持っています。これらは、空気中の窒素をアンモニウムに変換できる特別な細菌が生息する結節のような構造です。彼らはこの肥料を植物に与え、その見返りとして、植物の生存とエネルギー集約的な窒素固定に必要な炭素が豊富な化合物を受け取ります。
農業に希望はありますか？
この共生は、農業における可能性が非常に大きいと思われるため、長い間研究の焦点となってきました。大きな夢は、いつかマメ科植物の共生能力を穀物などの他の作物に移し、自らも肥沃になるようにすることです。空から。ただし、これを行うには、まずマメ科植物と根粒菌の間の関係におけるさまざまな要因を明らかにする必要があります。チューリッヒのスイス連邦工科大学のビート・クリステンとマティアス・クリステン兄弟が率いる科学者たちは、この研究テーマに専念しています。
現在の研究の一環として、彼らは植物側と細菌側の根粒共生に役割を果たす代謝経路を分析した。同位体で標識された物質や生化学分析などのシステム生物学の手法が使用されました。生物学者らは、クローバーに似たマメ科の植物 Medicago truncatula と、その細菌パートナーである根粒細菌 Sinorhizobium meliloti をモデル植物として使用しました。科学者らによると、このモデルシステムの結果は他のマメ科植物にも応用できると考えられるという。
肥料の生産を強制される
研究の驚くべき結果は、細菌が植物から炭素化合物だけでなく、窒素が豊富なアミノ酸のアルギニンも摂取しているということでした。なぜ植物は微生物に必要な窒素を与えるのでしょうか?研究者らの説明によれば、この供給は、プラントがパートナー企業にアンモニウムの放出を強制する一種の強制戦略の一部である。
「よく描かれているのとは反対に、この共生関係は自発的な授受によって特徴付けられるものではありません」と共著者のマティアス・クリステンは言う。科学者たちが証明できたように、マメ科植物は根粒菌を優しく寛大に扱うのではなく、病原菌と同じように扱うことさえあります。植物は細菌に炭水化物を供給しますが、細菌を意図的に酸素不足の状態に保ち、細菌にさらされます。それらを酸性環境に置きます。
生き残るための戦いの産物
アルギニンも関係しており、アミノ酸のおかげで細菌は劣悪な環境でも生き残ることができる、と科学者らは説明する。この物質のおかげで、微生物は特別な代謝に切り替えることができます。環境を中和するために、酸性化プロトンを空気中の窒素分子に移動させます。これによりアンモニウムが生成され、アンモニウムが細菌細胞の外に輸送されて除去され、植物に渡されます。研究者らは、植物にとって貴重なアンモニウムは、細菌にとっては最終的には強制的に生存競争を強いられた結果の廃棄物であると要約している。
今回の研究は、結節共生における 2 つのパートナー間の複雑な関係についてのさらなる洞察を提供します。しかし、関係の複雑さを考えると、遺伝子組み換えプロセスを使用して、マメ科植物のシステムを小麦、トウモロコシ、米などの窒素を多く必要とする作物に移植できるかどうかは依然として疑問です。しかし、今回の結果はこの方向への少なくとも一歩を示している、と科学者らは述べている。「このメカニズムを詳細に解読したので、ある時点でこのアプローチが成功する可能性は高まるはずです」とビート・クリステンは言う。
出典: スイス連邦工科大学チューリッヒ校、専門論文:分子システム生物学、doi: 10.15252/msb.199419
