2021 年９⽉７⽇
報道関係者各位
国⽴⼤学法⼈筑波⼤学

天然素材を利⽤してダイズの病気を防ぐ〜植物病原菌に葉⾯を認識させないカモフラージュ作戦〜
世界の農業現場では、植物病原菌の感染が原因の病気により、安定的な作物⽣産が脅かされています。その中でもダイズの⽣産現場では、ダイズさび病菌の感染により、多額の経済的損失が⽣じています。主な防除⼿段は殺菌剤の散布ですが、環境汚染や経済負担などさまざまな問題があり、持続可能な農業の実現につながる新たな防除⽅法の開発が求められています。
本研究では、植物由来のバイオマス素材であるセルロースナノファイバー（CNF）をダイズさび病の病害管理に応⽤することを検討しました。0.1％の CNF をスプレーで噴霧し、葉全体を CNF で覆ったダイズ葉では、ダイズさび病菌接種後の病斑数が無処理葉に⽐べて約 50％減少しました。このことから、ダイズ葉を CNF で覆うとダイズさび病への耐性が付与されることが分かりました。更に解析を進めたところ、CNF で覆ったダイズ葉では、表⾯特性が疎⽔性から親⽔性に変化していました。また、ダイズさび病菌が植物表⾯から侵⼊する際に必要な感染器官である付着器の形成に関連する酵素をコードする遺伝⼦の発現が、無処理葉に⽐べて有意に抑制されることが、明らかになりました。
これらの結果から、CNF は、ダイズ葉の表⾯を親⽔性へ変化させることでダイズさび病菌が本来認識するはずの疎⽔性をカモフラージュし、ダイズさび病菌に対する抵抗性を付与することができたと考えられます。
本研究は、植物病原菌よる病害の防除に CNF を適⽤した世界初の研究になります。

研究代表者
筑波⼤学⽣命環境系
⽯賀康博

助教

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研究の背景⾷糧問題は地球規模の課題です。世界中の農業現場では、さまざまな植物病原菌による病気のため、安定的な作物⽣産が脅かされています。その中でも、ダイズを宿主とするダイズさび病菌注１）の感染により、ダイズの⽣産現場では、多額の経済的損失が⽣じています。実際にブラジルでは、2003 年から 2014 年の間で年間 20 億ドル以上の経済的損失が⽣じたことが報告されています。ダイズさび病菌に対しては、殺菌剤を⽤いた防除が主に⾏われています。しかし、殺菌剤の使⽤は、農業環境にいる有益な菌類を含めた微⽣物環境の攪乱などの環境汚染や⽣産者の経済的な負担、薬剤に対する耐性菌の出現の助⻑といった問題点を抱えています。従って、これらの問題点を解決し、持続可能な農業を実現するための新たな植物保護資材の開発が求められています。軽くて強い植物由来のバイオマス素材であるセルロースナノフ
ァイバー注２）(以下 CNF)は、⼯業分野での利⽤例はありましたが、農業分野では利⽤されていませんでした。そこで、私たちは、CNF をダイズさび病の病害管理に応⽤することを検討しました。
研究内容と成果
本研究チームは、0.1％CNF をダイズ葉⾯上にスプレーで噴霧して葉⾯全体をＣＮＦで覆うことで、ダイズさび病の発⽣が約 50％抑制されることを世界で初めて明らかにしました。
ダイズさび病菌の感染は、宿主植物ダイズとの複雑な相互作⽤により進⾏していきます。初めに、ダイズ葉⾯に付着した夏胞⼦が葉⾯の疎⽔性を認識した後に発芽し、付着器注３）を形成することにより植物表⽪細胞に直接貫⼊していきます。植物内への侵⼊後は、侵⼊菌⽷を伸⻑し、宿主細胞から養分を吸収する吸器と呼ばれる器官を形成します（参考図左）。葉⾯全体をＣＮＦで覆ったダイズ葉で、これら⼀連の感染過程を顕微鏡観察しました。その結果、ＣＮＦで覆った葉では、コントロール葉と⽐較してダイズさび病菌の感染に必要な付着器の形成が約 50％に抑制されていました。
ダイズさび病菌はダイズ葉の表⾯特性を認識することにより、付着器を形成します。そこで、葉⾯全体をＣＮＦで覆ったダイズ葉⾯の表⾯特性の解析を⾏いました。その結果、ダイズ葉⾯全体をＣＮＦで覆うことで、ダイズ葉の表⾯特性が疎⽔性から親⽔性に変化することを明らかにしました。更に、親⽔性となったダイズ葉上では、付着器形成に必要なキチン合成酵素をコードする遺伝⼦の発現が有意に抑制されることも明らかになりました。
以上の結果から、CNF で覆ったダイズ葉では、ダイズさび病菌が表⾯特性を認識できないことからキチン合成酵素遺伝⼦が働かず、それにより付着器も形成されないために感染⾏動が阻害され、ダイズさび病の病害の発⽣が抑制されたことが明らかになりました（参考図右）。
今後の展開
本研究チームは、CNF による植物病害防除の技術を、世界中で⽣産されているあらゆる農作物を脅かしている植物病原菌に使⽤できるようにするため、研究室や国内外の圃場で更なる研究を進めています。
さまざまな種類の病原菌に対する CNF による防除メカニズムを深く理解することで、農薬や殺菌剤を使わない、環境に優しい持続可能な農業の実現に⼀歩近づくことができると考えています。

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参考図

図

本研究の概略図
ダイズ葉表⾯をセルロースナノファイバー（CNF）で覆った際のダイズ葉とダイズさび病菌に与える影響を⽰した。まず、葉⾯をＣＮＦで覆うことで、ダイズ葉表⾯の特性が疎⽔性から親⽔性に変化する。
これにより、ダイズさび病菌の付着器形成に必要なキチン合成酵素遺伝⼦の発現の抑制が起こり、ダイズさび病菌の付着器形成率が低下する。その結果、ダイズさび病菌の感染⾏動が抑制され、病気の発⽣が減少する。
⽤語解説
注１） ダイズさび病菌
ダイズを含めたマメ科植物に寄⽣する真菌（Phakopsora pachyrhizi）によって引き起こされるダイズさび病は、南北アメリカのダイズ主要産地がその脅威にさらされている。本菌の感染に対して、適切な防除が施されない場合は、90％以上の減収となる。
注２）

セルロースナノファイバー

植物の細胞壁の主な構成成分であるセルロースをナノレベルまで⾼度に微細化したバイオマス素材。
直径が数〜数⼗ナノメールトルで、⻑さは数マイクロメートル程度。環境中で分解される⽣分解性という特徴をもつ。
注３）

付着器

ダイズさび病菌が感染初期に形成する器官。植物体表⾯に強固に付着し、そこから植物体内へ侵⼊菌⽷を進展させる。
研究資⾦本研究は、中越パルプ⼯業株式会社・丸紅株式会社との共同研究契約および JST ERATO 野村集団微⽣物制御プロジェクトの⼀環として実施されました。

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掲載論⽂
【題名】Covering soybean leaves with cellulose nanofiber changes leaf surface hydrophobicity andconfers resistance against Phakopsora pachyrhizi（ダイズ葉をセルロースナノファイバーで覆うことにより葉表⾯の疎⽔性が変化し、ダイズさび病菌に対する抵抗性が付与される）【著者名】 Haruka Saito（⿑藤 悠⾹ 筑波⼤学理⼯情報⽣命学術院・⽣命地球科学研究群・⽣物資源科学学位プログラム博⼠前期課程 2 年）、Yuji Yamashita（⼭下 祐司 筑波⼤学⽣命環境系助教）、Nanami Sakata（坂⽥ 七海

筑波⼤学理⼯情報⽣命学術院・⽣命地球科学研究群・農学学位プログラム博⼠後期課程 2 年・⽇本学術振興会特別研究員 DC2）, Takako Ishiga（⽯賀 貴⼦ 筑波⼤学⽣命環境系 研究員（当時））、 Nanami Shiraishi（⽩⽯ 菜奈美 筑波⼤学理⼯情報⽣命学術院・⽣命地球科学研究群・⽣物資源科学学位プログラム博⼠前期課
程 2 年）、Giyu Usuki（⾅杵 義侑 筑波⼤学理⼯情報⽣命学術院・⽣命地球科学研究群・⽣物資源科学学位プログラム博⼠前期課程 2 年）、Viet Tru Nguyen（筑波⼤学理⼯情報⽣命学術院・⽣命地球科学研究群・農学学位プログラム博⼠後期課程 1 年・Western Highlands
Agriculture and Forestry Science Institute, Vietnam）、Eiji Yamamura（⼭村 英司 筑波⼤学研究⽀援アソシエイト）、Yasuhiro Ishiga（⽯賀 康博 筑波⼤学⽣命環境系 助教）【掲載誌】 Frontiers in Plant Science【掲載⽇】 2021 年 9 ⽉３⽇【DOI】

10.3389/fpls.2021.726565

問合わせ先【研究に関すること】
⽯賀 康博（いしが やすひろ）
筑波⼤学⽣命環境系 助教
URL: https://trios.tsukuba.ac.jp/researcher/0000003518【取材・報道に関すること】
筑波⼤学広報室
TEL: 029-853-2040
E-mail: kohositu@un.tsukuba.ac.jp

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