7日本農学会シンポジウム

未来農学―100 年後の農業・農村を考える

農業へのバイオミメティクス応用
森直樹*〔キーワード〕：生物模倣，ナノパイル構造，振動，化学物質や振動を受容する界面に注目し，その細胞トライコーム，香りのセンシング

表面に形成される微細構造を解析することが可能

1．はじめにとなった．これにより，生物間相互作用において微細構造が特異的に示す機能を解析し，農業分野に応

生物は進化と適応の過程において，「人間の技術」用できる植物保護技術を確立することが未来の農とは異なる「生物の技術」とも言うべき技術体系を学の一つのポイントになると期待される．本研究で構築し，さまざまな機能を獲得してきた．例えば，

は，「昆虫が登れないナノパイル構造の活用」，「昆ハスの葉はテフロンを使うことなく超撥水性を実虫が嫌う振動を利用した害虫制御」，「昆虫の食害に現し，モルフォチョウは金属を用いることなく鮮やより毛茸に蓄積する植物二次代謝物質」そして「異かな青色の金属光沢を放つ．いずれも，細胞表面になる香りの成分比を区別する昆虫のセンシング機構築された微細構造（数百 nm から数 mm）の繰り出構」を取り上げ，害虫に対する新規な植物保護法のす機能である．この微細構造は炭素・水素・酸素・確立と生物機能の工学への応用を目指している．

窒素等を中心とする有機化合物により構成されており，希少元素はもちろん，シリコン，アルミニウ

2．昆虫が登れないナノパイル構造の活用

ム，鉄などのユビキタス元素も使用されてない．地昆虫の微細な表面構造として，ナノパイル構造

球資源の有限性が認識される現在，これらの「生物（直径 50 nm，高さ 200-250 nm の釣鐘状の微小突起の技術」の重要性が世界的に認識され，「生物模倣」がおよそ 200 nm の間隔で集積する構造）が知られあるいは「バイオミメティクス」の研究が欧米を中ている．昆虫のナノパイル構造としてはガの複眼が心に広がっている．我が国においても，平成 24 年

よく知られていることから，モスアイ構造とも呼ば度（2012 年度）から 28 年度（2016 年度）まで新学術領れている．後に，この構造は昆虫の眼だけでなく，域研究（研究領域提案型）「生物多様性を規範とするオオスカシバやセミの透明な翅からも報告された．

革新的技術材料」（代表：下村政嗣，千歳科学技術大そして，ナノパイル構造には，高い反射軽減効果や学）が展開されてきた．本発表は，この研究グルー高い撥水性があることが報告されている．

プ内での異分野連携の研究成果，特に細胞表面に構今回，エゾハルゼミやアブラゼミの翅表面のナノ築された微細構造が持つ機能を，新しい植物保護技パイル構造を確認し，その生物学的な機能を解明す術へ応用することを目標にした研究成果である．

るとともに，このナノパイル構造が他種の昆虫の攻今まで，安定した食料生産を担う農業の研究領域撃を避ける機能も有することを新たに見出した．

では，細胞表面に構築された微細構造は注目されてエゾハルゼミの透明な翅の透過率をスペクトル解こなかった．その大きな理由は，従来の電子顕微鏡

析すると，300-400 nm の紫外部でやや吸収があるも観察では，その微細構造を生きたままの形で観察でのの，可視部帯域では 100%に近い高い光透過性が確きなかったからである．ところが，我々のグループ認された．さらにエゾハルゼミの翅に微小液滴を滴の針山（浜松医科大学）は，生きたままの個体や細下する実験により撥水性の検討を行ったところ，翅胞などを走査型電子顕微鏡（SEM）で観察する方法

膜でその接触角が 161.7±1.3°，翅脈で 129.5±1.3°（ナノスーツ法）を世界で初めて開発した．これをという高い撥水性を示した．このナノパイル構造は，受けて，本研究では，他の生物との関わり合いを最透明な翅をもつエゾハルゼミだけでなく，アブラゼ前線で対峙する界面，また生物間の情報伝達を司るミの翅にも確認された．透明な翅は勿論，有色の翅*京都大学大学院農学研究科（Naoki Mori）

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農業および園芸 第 94 巻 第 1 号（2019 年）であっても，ナノパイル構造はつや消しの役割を物であるカラムシ上に生息するラミーカミキリが担っており，恐らく天敵などに対して視覚情報量を生物由来の振動を識別できるかを明らかにするた減少していると推察される．超撥水性に関しては，めに以下の研究を行った．まず，カラムシの振動特その自浄作用機能に関与していると推察される．

性を解析した．その結果，風による振動は 30Hz 程

昆虫の脚先は微細な突起構造や袋状の構造が見度の周波数成分が卓越していたが，ラミーカミキリられ，この構造が高い接触性を示す．ナノパイル構の着地や歩行によって生じる振動は 30Hz 以上の周造のシート上ではこの構造の実効接触面積が下が波数成分も強く，風による振動とは特性が大きく異り，ファンデルワールス力が低下した結果，昆虫はなっていた（図 1）．次に，ラミーカミキリに周波数滑落すると予想された．野外観察では，アブラゼミや振幅の異なる振動を与え，生物由来の振動に対しを攻撃しようとするアミメアリが，アブラゼミの翅て，フリーズ反応（歩行の停止）や驚愕反応といっによって体上への接近を阻まれることが確認されて特異的な反応をするかどうか検証した．その結果，た．そこで，ナノパイル構造を持つシートを作成し，ラミーカミキリは，他個体の着地や歩行に由来する農業害虫種を含む 19 目 34 種以上の節足動物を，角振動の周波数成分に対して，敏感に反応を示すこと度をつけたシート上で歩かせたところ，ほぼ全てがが明らかになった（Tsubaki ら，2014）．これらの振滑落した（針山ら，2014）．本素材は“構造的な害動情報の機能を応用することで，害虫の行動を制御虫の行動制御基材”と位置付けられ，農業だけでなし，防除につなげることができる．実際に，マツのく害虫の行動制御が必要な幅広い分野での応用が害虫であるマツノマダラカミキリにおいて，振動に期待される．

より産卵等の行動が阻害されることを示している．

3．昆虫が嫌う振動を利用した害虫制御
昆虫では，捕食者や配偶者の接近を感知するために固体を伝わる振動が用いられる．そこで，草本植

4．昆虫の食害により毛茸に蓄積する植物二次代謝物質
鱗翅目幼虫に食害されたダイズ葉には，daidzein

図 1 風，ラミーカミキリの着地，ラミーカミキリムシの歩行，およびその風・歩行によってカラムシの葉に生じる振動

森：農業へのバイオミメティクス応用

9OLS4100（Shimadzu）で，毛茸の固さを走査型プロー
ブ顕微鏡 SPM-9700（Shimadzu）で測定し，それぞれの値を感受性品種（タマホマレ）と比較した．その結果，IAC100 の毛茸は葉に立って生えていることが顕著な違いであった．毛茸に誘導される化学成分や毛茸の物理性がハスモンヨトウに対する抵抗性とどのような関連があるか，今後も検討をすすめる．
5．異なる香りの成分比を区別する昆虫のセンシング機構
図 2 ハスモンヨトウの食害によりダイズ葉の毛茸に蓄積した daidzein のイメージング質量顕微鏡画像

ガ類のオスは，同種メスから放出される，複数成分から成るフェロモンブレンドを識別して，メスを見つけ出す．そこで，2 成分で構成されるフェロモや formononetin 等のイソフラボン類が蓄積することンブレンドを利用するヒメアトスカシバから，2 種を見出した（Nakata ら，2016）．Daidezein にはハス類の性フェロモン受容体（PR）遺伝子を単離した．

モンヨトウの成長阻害活性が報告されており，イソアフリカツメガエル卵母細胞を用いて成分選択性フラボン類の蓄積は適応的と思われる．次に食害部を解析した結果，各 PR（NpOR1，NpOR3）はそれ位における両物質の分布を観察するため，iMScopeぞれの成分を特異的に検出することを明らかにし（Shimadzu）による MS イメージングを行ったとこた．また，in situ ハイブリダイゼーションにより，ろ，両化合物は表面の毛茸（トライコーム）に誘導

触角における局在様式を明らかにし（図 3），PR のされていた（図 2）．また，興味深いことに，傷付け選択性と局在様式（嗅覚受容細胞の割合）に基づいた葉に幼虫の吐き出し液を塗布しても，daidzein やたひとつの検出モデルを示唆した（光野ら，2018）．

formononetin は蓄積された（Nakata ら，2016）．本加えて，4 成分で構成されるフェロモンブレンドを結果は，幼虫の食害を幼虫の吐き出し液でミミック利用するキマエホソバから， RNAseq によりオス優できたことになる．

勢的に発現する PR 候補遺伝子を単離した．RNAseq

ハスモンヨトウに対して強い抵抗性を示すダイによる遺伝子発現量解析の結果，触角において各候ズ（品種 IAC100）の葉の表面には特徴的な毛茸が補遺伝子は異なる割合で発現していることを明ら生えている．IAC100 をハスモンヨトウ幼虫の吐きかにした．現在，卵母細胞を用いた成分選択性の解出し液で処理すると毛茸に Kaempferol 3-O-（2G-析を進めている．

glucosylrutinoside）（KGR）が蓄積した．また，毛茸の長さ，生えている角度を 3D 測定レーザー顕微鏡

図 3 ヒメアトスカシバにおける PR 遺伝子の局在様式

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農業および園芸 第 94 巻 第 1 号

6．おわりに（2019 年）に形成される微細構造の解析を進めている．これにより，生物間相互作用において微細構造が特異的にバイオミメティクスはヨーロッパが発祥である．

示す機能を理解し，持続的な農業技術，次世代の革このバイオミメティクス・ルネッサンスとも呼ばれ新的農業技術として社会実装することが目的である新しい研究潮流は，ヨーロッパを中心にナノテク

る．農業の未来を考えるに当たって，バイオミメノロジー，材料科学，機械工学，建築学，情報学，ティクス技術は大きな可能性を持つと確信してい環境学，経済学などの多数の分野に普及しつつある．

る．

そして，各国において異分野連携のための産官学連携コンソーシアムが組織され，産業化における指針となる国際標準化が近年発効された．
農業現場における微細構造に注目した研究は国内外でも皆無であったが，新学術領域研究「生物多様性を規範とする革新的技術材料」によって，農学におけるバイオミメティクス，特に生物間相互作用に関する成果が多数輩出され．得られた成果をさらに一歩進め，他の生物との関わり合いを最前線で対峙している界面，また生物間の情報伝達を司る化学物質や振動を受容する界面に注目し，その細胞表面

引用文献
1）針山ら，“エントモミメティクスと害虫制御”，日本応用動物昆虫学会誌 58：79-91（2014）．
2）Tsubaki ら，“Substrate-borne vibrations induce behavioral
responses of a leaf-dwelling cerambycid Paraglenea
fortunei”, Zool. Sci., 31: 789-794（2014）．
3）Nakata ら，“Inducible de novo biosynthesis of isoflavonoids
in soybean leaves by Spodoptera litura (Lepidoptera:Noctuidae) derived elicitors: tracer techniques aided byhigh resolution LCMS”, J. Chem. Ecol., 42: 1226-1236（2016）．
4）光野ら，“10 章 化学センシング”，CSJ カレントレ
ビュー28，持続可能性社会を拓くバイオミメティクス，
pp.111-117（2018）．