マイクロバイオームの収束により、シデロフォア分泌根粒菌がトウモロコシと間作されたピーナッツの鉄栄養と収量を向上させる

トウモロコシとピーナッツや大豆との混植（inter cropping）は中国農業大学のFuso Zhang教授の門下生たちの、メインテーマである。アルカリ土壌でなぜ混植の効果が出るのかに関してはその理由がよくわからなかった。しかし、中国人留学生の東京大学の研究で、トウモロコシの根から分泌されるデオキシムギネ酸が鉄を可溶化して、ムギネ酸鉄してトウモロコシの根と近接するダイズの根から吸収されたことから、これが主要因ではないかと考えられてきた。中国の研究グループは、この混植の効果についてさらに研究を進めて混植による根圏微生物叢の変化に着目して、シュードモナスが分泌するシデロフォア、ピョベルジンを同定した。このピョベルジンが鉄を抱え込んで、ピーナッツの根からに吸収されるのではないか、という説を提案している。なかなか執念深い研究成果だと思う。朋友Fuso Zhang教授も喜んでいることだろう。
　　

マイクロバイオームの収束により、シデロフォア分泌根粒菌がトウモロコシと間作されたピーナッツの鉄栄養と収量を向上させる
　　
Microbiome convergence enables siderophore-secreting-rhizobacteria to improve iron nutrition and yield of peanut intercropped with maize
NanqiWang、TianqiWang、YuChen　et al.
Nature communications https://doi.org/10.1038/s41467-024-45207-0
　　
間作は、作物の収量だけでなく、植物の栄養状態も改善する可能性がある。しかし、栄養吸収の改善を促進する正確なメカニズムや、このプロセスにおいて根圏マイクロバイオームが果たす役割については、まだ十分に解明されていない。ここでは、ピーナッツ／トウモロコシの間作システムを用いて、これらの作物の鉄栄養における根関連微生物叢の役割を、マイクロバイオームのプロファイリング、菌株および物質の単離、機能検証を組み合わせて調査した。その結果、間作はピーナッツの鉄栄養を増加させるが、トウモロコシの鉄栄養は増加させないこと、また、間作実験で試験した2つの植物の間で微生物叢の組成が変化し、収束することを見出した。我々は、ガラス温室および圃場実験において鉄栄養を改善するシュードモナス分泌シデロフォア、ピョベルジンを同定した。この結果は、ピーナッツとトウモロコシの間作におけるシデロフォアを分泌するシュードモナスの存在が、鉄栄養において重要な役割を果たしていることを示唆している。これらの知見は、植物の栄養状態を改善することを目的とした、将来の間作方法を構想するために利用される可能性がある。
　
以下に、7つある図の説明文は全部翻訳掲載しておいた。しかしFig.は3枚しか掲載できないので、Fig,2,Fig5, Fig7のみを掲載した。

図1｜石灰質土壌におけるトウモロコシとピーナッツの間作はピーナッツの鉄栄養と収量を改善する。 a 華北平原4省のピーナッツの平均生産量と世界比率、および圃場実験の位置（点で示す） b 圃場におけるピーナッツの単作と間作の写真、および鉄欠乏性クロロシスの関連する2つの表現型： 土壌・植物分析装置発育値（クロロフィル含量を示すSPAD値）と若葉の活性鉄（鉄欠乏の程度を示す）。値は平均値±標準偏差（SD）（n = 4生物学的に独立したサンプル、SPADのp値：6.8e-08、活性鉄のp値：0.002）： 0.002). 歪んだデータ分布または分散の不均一性を持つデータは、パラメトリック検定の仮定を満たすようにBoxCoxアルゴリズムを用いて変換した。変換後のデータが仮定を満たさない場合は、Wilcoxon検定などのノンパラメトリック検定を用いた。BHアルゴリズムは、多重比較のp値を補正するために使用された。アスタリスクは2群間の有意差を示す： p＜0.05、***p＜0.01、***p＜0.001、n.sは有意でない。c 土地等価比（LER）＞1（LERは観察収量と期待収量の差として定義され、土地利用効率を示す）および正味効果（NE）＞0（NEは種ごとの部分相対収量の合計として定義され、間作の正味効果を示す）ピーナッツ／トウモロコシの間作は、2011〜2015年の河南省および2015年の華北平原の5農場で圃場条件下で有意な優位性を示す。


図2｜トウモロコシと混作したピーナッツの鉄栄養改善に寄与する根圏マイクロバイオーム a. 播種後46、53、63、73日（dps）における、単作および混作ピーナッツの植物体および若葉の表現型と土壌植物分析発育（SPAD）値。表はピーナッツ若葉のSPAD値を示す。数値は平均値±SDを示す（n = 5-8生物学的に独立したサンプル、p値は46, 53, 63, 73dpsで0.205, 8.6e-05, 0.002, 0.011）。b ポットでのピーナッツ単作および間作ピーナッツの根圏における若葉中の活性鉄および利用可能鉄（植物が利用可能な鉄の量を示す）。c 無菌土壌および通常の石灰質土壌で栽培した73dpsの単作および間作落花生の表現型 d 通常の土壌または無菌土壌で栽培した73dpsの落花生のSPAD値、若葉中の活性鉄および根圏中の利用可能鉄。棒グラフのエラーバーは平均±標準偏差（SD）を表し（SPAD値についてはn = 10生物学的に独立したサンプル、活性鉄および利用可能鉄についてはn = 3）、ドットは個々の値を表す。a、b、d の作物タイプは間作または単作を示す。パラメトリックStudent's t-testおよびANOVA、ポストホック検定としてLSDは、正規分布し、均質な分散を持つデータセットに用いられた。歪んだデータ分布または分散の不均一性を持つデータは、パラメトリック検定の仮定を満たすようにBoxCoxアルゴリズムを用いて変換した。変換後のデータが仮定を満たさない場合は、Wilcoxon検定、Dunnett T3検定付きKruskal-Wallis検定、Scheirer-Ray-Hare検定などのノンパラメトリック検定を用いた。多重比較のp値補正にはBHアルゴリズムを用いた。アスタリスクは2群間の有意差を示す： p<0.05、***p<0.01、***p<0.001、n.sは有意でない。異なる文字は群間の有意差を示す。代替仮説検定には両側検定を用いた。
　　
　
図3｜間作によって根粒菌群集組成がシフトし、シュードモナスが間作落花生の鉄栄養改善に関与する最有力候補分類群の1つであることが明らかになった。 a 単作落花生、間作落花生、間作トウモロコシ、単作トウモロコシから収集した根粒菌マイクロバイオームのUniFrac距離（含まれる系統に基づいて群集間の距離を測定）を用いた非拘束主座標解析（PCoA）。順列多変量分散分析（PERMANOVA、別名Adonis）の結果を示す。PcoAおよびAdonis分析には相対量を用いた。 b 線形判別分析の効果量LefSe（LDA > 3.0およびp < 0.05）によって特定された、単作および間作ピーナッツを識別する属バイオマーカー。間作落花生、単作落花生、単作トウモロコシにおけるバイオマーカー分類群の相対的な動的存在量を、生物学的に独立した3サンプルの平均値を正規化したzスコアとして示し、zスコアが低い（青）から高い（赤）までの連続体にまたがるヒートマップとして描いた。各属の相対量を箱ひげ図で示している：中心＝中央値、箱の境界＝第1および第3四分位数、ひげ＝最小値と最大値。表は、相対存在量と植物の鉄栄養状態を表す2つの指標との間のスピアマンρ相関を示し、負の相関（緑色）から正の相関（ピンク色）まで連続するヒートマップで示した。相関分析は24の独立したサンプルに基づいて行われた。有意な相関は星印で示した： *p < 0.05; **p < 0.01; ***p<0.001； n.sは有意ではない。正確なスピアマンのρ値を有意水準で示した。ヒートマップデートの生物学的に独立なサンプル数は3。代替仮説検定には両側検定を用いた。


図4｜機能性シデロフォア分泌根粒菌とシデロフォアの特性。 a シデロフォア分泌根粒菌の分離に用いたプロトコールを示す模式図。b 間作落花生から分離した46種の高シデロフォア分泌根粒菌の系統樹と、鉄制限条件下で測定した上清のシデロフォア濃度。棒グラフとエラーバーは平均値±標準偏差（SD）を表し（n = 3 生物学的に独立したサンプル）、黒い点は個々の値を表す。写真は対応するCASアッセイの結果。系統樹は、系統学的マーカーとして全長16S rRNA遺伝子配列に基づいている。線の色は分離株の属を示す。c 単作および間作のピーナッツとトウモロコシにおけるASV487の相対的な存在量を経時的に示す。d 100個のハウスキーピング遺伝子を系統発生マーカーとして、間作落花生根圏分離株Pseudomonas sp.1502IPR-01と他の代表的なPseudomonas属菌株との系統発生学的関連。コンセンサスツリーは1000ブートストラップツリーから構築された。e Pseudomonas sp. 1502IPR-01のピョベルジン生合成分泌・取り込み遺伝子。Pseudomonas sp. 1502IPR-01とPseudomonas aeruginosa PAO1の間で共有される配列は、その同一性レベルに従って、黒（100.0%）から白（0.0%）まで斜線で示したバンドで結ばれている。f Pseudomonas sp.1502IPR-01由来のピオベルジンの推定化学構造と、沈殿したFe(OH)3からFe(III)をキレートする能力。パネルは、ピオベルジンによって誘発される上清の色の変化と、Fe(OH)3からの鉄の放出と反応混合物中のピオベルジン濃度との相関（ピアソン相関係数）を示す。紫色の線と灰色の部分は、それぞれ直線回帰直線とその95%信頼区間を示す。緑色の点は3つの独立したサンプルの平均値を示す。代替仮説の検定には両側検定を用いた。

　
図5｜Pseudomonas sp.1502IPR-01とそのシデロフォア（ピョベルジン）は鉄欠乏性クロロシスを防止し、ピーナッツの成長と収量を改善する。 a 対照条件下、およびPseudomonas sp.1502IPR-01、非キレート化ピョベルジン、および対照群、滅菌土壌でのピーナッツの間作と単作、および温室条件下での通常土壌でのピーナッツの単作（根圏散水施用）で処理した場合のピーナッツ植物の表現型。b 温室条件下における3つの処理区（対照区、502IPR-01区、1502IPR-01区のピオベルジン非キレート区）のピーナッツの土壌植物分析発育（SPAD）値と若葉中の活性鉄、バイオマスおよび根圏中の利用可能鉄。c 対照条件下、および圃場条件下でピーナッツを単収栽培し、シュードモナス属細菌1502IPR-01（根圏散布）、非キレート化ピオベルジン（根圏散布）、EDTA-Fe（葉面散布）のいずれかで処理した場合のピーナッツ植物の表現型。d 圃場条件下で4つの処理（対照，1502IPR-01，非キレート化ピオベルジン，EDTA-Fe散布）を行った場合の若葉中のSPAD値，若葉中の活性鉄濃度，根圏中の利用可能鉄およびピーナッツ収量。bのバーとエラーバーは平均±標準偏差（SD）を表し、ドットは個々の値を表す。dについては、doxplotの中心線は中央値を、boxplotの境界線は第1四分位数Q1と第3四分位数Q3を、ひげはQ1とQ3の下と上の1.5（Q3-Q1）をそれぞれ示し、黒い点は外れ値を、開いた点は個々の値をそれぞれ示す。bとdのデータが正規分布と分散の均一性に従う場合、パラメトリック検定ではLSDを事後検定とするANOVAが使用される。歪度データまたは分散が不均一なデータについては、パラメトリック検定にBoxCoxアルゴリズムを用いてデータを変換した。BoxCoxアルゴリズムの後、データがパラメトリック検定の仮定を満たさない場合は、Dunnett T3検定によるKruskal検定が使用される。異なる文字は群間の有意差を示す。多重検定補正はBHアルゴリズムで行う。アスタリスクは2群間の有意差を示す： p＜0.05、***p＜0.01、***p＜0.001、n.sは有意でない。すべてのパラメータについて、nは生物学的に独立したサンプルの数を表す。代替仮説検定には両側検定を用いた。


図6｜緑膿菌が分泌するピオベルジンはピーナッツの鉄栄養とバイオマスを改善するのに必須である a 対照条件下およびピオベルジン分泌能を持たない緑膿菌 PAO1 変異体（PAO1 ΔpvdDpchEF）、ピオベルジン分泌能を持つ緑膿菌 PAO1 野生型（PAO1 WT）、およびピオベルジン分泌能を持つ緑膿菌 sp. pyoverdine 分泌能を有する緑膿菌 PAO1 野生型（PAO1 WT）、およびピオベルジン分泌能を有する緑膿菌 Pseudomonas sp.1502IPR-01（すべて根圏施用）。 b 対照条件下および温室条件下での3つの処理（PAO1ΔpvdDpchEF、PAO1WT、1502IPR-01）でのピーナッツの土壌 植物分析発育（SPAD）値、若葉中の活性鉄、根圏中の利用可能鉄、バイオマスおよびFe(III)還元能。bバーとエラーバーは平均±標準偏差（SD）を表し、ドットは個々の値を表す。ANOVA with LSD post-hoc test は、データが正規分布に従い、分散が均一な場合に用いられた。歪んだデータセットや不均一な分散のデータには、BoxCox変換アルゴリズムが適用された。それでもデータがパラメトリック検定の仮定を満たさない場合は、Kruskal-Wallis検定とDunnett T3検定を用いた。異なる文字は群間の有意差を示す。多重検定補正はBHアルゴリズムで行った。アスタリスクは2群間の有意差を示す： p<0.05、***p<0.01、***p<0.001、n.sは有意差なし。すべてのパラメータについて、nは生物学的に独立したサンプルの数を表す。代替仮説検定には両側検定を用いた。


図7｜ピーナッツ／トウモロコシの間作によって根圏のシュードモナス属微生物が濃縮され、シデロフォアであるピョベルジンを分泌して鉄栄養を改善する仕組みのモデル。b トウモロコシからピーナッツの根圏への間作中にシュードモナスがクロスエンリッチする（機能性微生物）。 c シュードモナスはシデロフォアであるピョベルジンを分泌し、間作しているピーナッツの根圏における鉄の利用性を高める（機能性微生物代謝産物）。