プレスリリース
(研究成果) グルタミン酸は植物保護細菌の機能を高める

- 重要土壌病害の防除に資する持続可能な技術の開発 -

情報公開日:2024年2月14日 (水曜日)

ポイント

農研機構は、アミノ酸の一種で環境負荷が少ないグルタミン酸¹⁾を用いて、キュウリ等の重要土壌病害の防除に有効な病害抑制の機能を持つ植物保護細菌²⁾の機能を高める技術を開発しました。本成果を活用することで、新たな環境負荷の少ない病害防除法の開発が可能となり、土壌消毒用の化学農薬の使用量低減につながることが期待されます。

概要

土壌中には様々な微生物が生息しており、その中には植物にとって有用なもの、また逆に病気を引き起こすものがいます。土壌中に生息する病原が引き起こす植物病害は土壌病害とよばれ、主にカビ等の病原微生物が原因であり、農作物のロスを引き起こす深刻な問題となっています。土壌病害の防除には主に化学農薬が使用されていますが、継続的な化学農薬の使用は、薬剤耐性菌の出現を招くなど課題が残されています。持続可能な農業の実現には、自然界に存在し植物の生育に有用な微生物(植物保護細菌:非病原性シュードモナス属細菌の一部など)を農業に役立てることが有望視されていますが、生きたまま用いるため環境に左右されることもあり、化学農薬と比較して効果が弱くコストが高いなどの問題がありました。

農研機構ではこれまで、国内でも生産量が多い野菜の一つであるキュウリを対象として、微生物を用いた病害防除法の開発を進めてきました。そのために、土壌病害の防除に有効であることが知られている植物保護細菌(Pseudomonas protegens)を利用し、さらにその効果を安定的に高める物質を探索しました。私たちは過去に様々な天然素材について、植物の病気を抑える効果がある物質の探索を行い、アミノ酸に効果があることを明らかにしていました。今回、植物保護細菌の効果を高める候補物質としてアミノ酸に着目しました。各種アミノ酸を植物保護細菌とともに土壌に加えてキュウリを育てたところ、試したアミノ酸の中ではグルタミン酸を添加した時のみに高い効果が認められました。

他の土壌病害でも、植物保護細菌とグルタミン酸を同時に使用する技術を用いることで、これまで土壌中での効果が不安定とされていた植物保護細菌の機能が維持され、病害防除効果が向上すると期待されます。また、環境負荷が低い病害防除法でもあり、土壌消毒用の化学農薬の使用量低減につながることが期待されます。

本成果は、科学雑誌「Molecular Plant-Microbe Interactions」(2023年7月28日)に発表されました。

詳細情報

開発の社会的背景

農作物の病害は主にカビ等の病原微生物を原因として引き起こされ、その収量に大きな影響を及ぼすため経済的なロスが大きく、農薬を使わなかった場合には出荷金額の3割以上が減益するといわれています。特に土壌中にまん延する病気(土壌病害)は、病害全体の約6割を占めながら、私たちの目の行き届かない地中にまん延するため防除が困難とされています。土壌病害の防除には主に化学農薬が使用されていますが、継続的な化学農薬の使用は環境負荷が大きく、薬剤耐性菌の出現を招くなど課題が残されています。それに対し、自然界に存在する微生物を活用した微生物資材³⁾が注目されていますが、化学農薬と比較して効果が弱く、また高コストであることが課題となっていました。

研究の経緯

土壌中には様々な微生物が生息しており、その中には、病害防除効果のある微生物も存在します。農研機構では、これまで微生物を用いた病害防除法の開発を進めてきました。そのために、土壌病害の防除に有効であることが知られている植物保護細菌(非病原性シュードモナス属細菌Pseudomonas protegens)を利用し、その効果を検証してきましたが、生きたまま使用することから、植物が育つ環境に影響を受けやすく効果が安定しないという弱点がありました。

今回私たちは、主要な野菜であるキュウリの幼苗を用い、重要土壌病害の病原菌の一つであるピシウム病菌(Pythium ultimum)に対して植物保護細菌の効果を検証しました。また、その機能を安定化させる目的で、環境負荷の低いアミノ酸に着目しそれらを一緒に添加し、病害防除効果を評価しました。

研究の内容・意義

土壌中にピシウム病菌をまん延させた状態でキュウリの幼苗を栽培しても、大きくなることはできません。そこで、農研機構が過去に見出していた植物保護細菌(Pseudomonas protegens)を水に溶かしてピシウム病菌をまん延させた土壌に加え、本葉が出始めるまで(2週間)キュウリを栽培したところ、キュウリの生育状況に回復が認められました。このことから、今回与えた植物保護細菌を使用することでピシウム病害⁴⁾を抑えられることが実験室レベルで確認されました。
次に、私たちはアミノ酸を植物保護細菌と一緒にピシウム病菌をまん延させた土壌に加えてキュウリの幼苗を栽培し、ピシウム病害を抑える効果の変化を調べました。その結果加えたアミノ酸の中ではグルタミン酸添加時のみにピシウム病害の抑制効果が高まることが分かりました。また、その効果も植物保護細菌のみのときと比べてキュウリ幼苗の植物重量が2倍にまで増加しており、効果が高いことが分かりました(図1)。なお、グルタミン酸単独ではピシウム病害を抑える効果は認められませんでした。

図1 : ピシウム病菌感染土壌におけるキュウリ幼苗の植物重量の比較
土壌中にピシウム病菌がまん延する環境下でキュウリ幼苗を栽培し、植物重量を比較しました。ピシウム病菌がまん延している環境下に植物保護細菌を加えたところ、重量の増加がみられました。さらに、この条件下にグルタミン酸を一緒に加えて育てると効果が高まることが分かりました。他のアミノ酸については、添加した中では顕著な効果が認められず、グルタミン酸が特異的な効果を有することが分かりました。なお、縦軸は植物保護細菌にアミノ酸を与えない場合の重量を1とした相対値として示しています。また、実験上の個体差を棒グラフの中にある縦線の幅で示しています。
さらに、苗を圃場に移植するまで温室で1ヶ月間栽培しても、植物保護細菌およびグルタミン酸の効果が持続することが分かりました(図2)。これまでの知見からピシウム病害に対しては幼苗期の防除が重要であることから、本手法が有効であることが分かります。

図2 : ピシウム病菌感染土壌におけるキュウリ幼苗の生育の様子と、植物保護細菌およびグルタミン酸の効果
土壌中にピシウム病菌がまん延する環境下でキュウリ幼苗を栽培しました(A)。(A)と同じ環境下で植物保護細菌を添加して栽培するとピシウム病防除効果がみられました(B)。グルタミン酸を一緒に加えて育てると、病害防除の効果が更に高まることが明らかとなりました(C)。ピシウム病菌が存在する土壌(図中:無添加で表記)では生存率が15%であるのに比べ、植物保護細菌とグルタミン酸を一緒に添加した土壌(C)で育てた場合は60%になります。その後の生育は順調でした。

今後の予定・期待

今回、キュウリの幼苗において、グルタミン酸を植物保護細菌とともに土壌に添加することにより、植物保護細菌の機能を高めることが確認されました。植物保護細菌は広範な病害に効果を示すことから、今回の成果を他の病害に応用することも見込めます。対象となる病害と添加時期を適切に見極め、この技術を用いることで、これまで土壌中での効果が不安定とされていた微生物資材の機能の維持・向上を図ることができ、持続可能な営農に貢献できると期待されます。

用語の解説

グルタミン酸: アミノ酸の一種です。食品に含まれており、うまみ成分としても知られています。[ポイントに戻る]
植物保護細菌: 植物の根の表面や土壌中に生息する細菌です。多様な抗菌性二次代謝産物や菌体外酵素を産生し、周辺の病害微生物の生育を抑制する特徴を有しています。[ポイントに戻る]
微生物資材: 有用微生物を主体とした農業資材であり、土壌に添加することで植物の生長を促したり、病気を防除したりするものがあります。[開発の社会的背景に戻る]
ピシウム病害: 土壌中のピシウム菌(カビの一種)によって引き起こされる病害です。ピシウム菌は苗立枯病や腐敗病を引き起こします。作物の生育初期の段階で感染するため、幼苗期の防除が重要です。[研究の内容・意義に戻る]

発表論文

Glutamate positively regulates chitinase activity and the biocontrol efficacy of Pseudomonas protegens.
Kasumi Takeuchi, Masayo Ogiso, Tomohiro Morohoshi, Shigemi Seo Molecular Plant-Microbe Interactions 2023 Jun;36(6):323-333. doi: 10.1094/MPMI-09-22-0178-R. Epub 2023 Jul 28.

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