齊藤 玉緒
上智大學 理工學部 物質生命理工學科 教授
2020～2024年 A-STEP研究負責人
「創新日本走訪」 系列採訪那些以實際應用於社會一線為目標的研發現場。第16回介紹上智大學理工學部的齊藤玉緒教授的研究，她正與企業合作，利用兼具動物和植物特性的「細胞性粘菌」產生的線蟲驅避物質開發植物保護材料，以便實現低農藥化。
先期研究只有一篇論文
用根連結線蟲進行實驗
JR中央線四谷站附近、位於東京市中心的上智大學四谷校區内綠意盎然。上智大學理工學部的齊藤玉緒教授自2009年起在此任職，並於赴任次年開始研究細胞性粘菌與線蟲的關係。細胞性粘菌是一種生活在地表附近的土壤微生物，雖是類似變形蟲的單細胞生物，但當週圍缺乏其食物——細菌時，收歛集起來表現出類似洋菇似的多細胞生物特性，是一種少見的具有獨特生存策略的生物。齊藤教授在大學學生時代首次接觸到細胞性粘菌並產生興趣，抱著「能瞭解單細胞向多細胞演化的過程」的想法，齊藤教授一直在進行相關研究。
博士畢業後，她參與了由人類基因體計畫開始的模式生物基因體解析計劃，對細胞性粘菌的基因體進行了解析。結果發現，細胞性粘菌基因體中有62%為蛋白質設計圖的編碼區域，且特徵是其中具有非常多的「聚酮合成酶」。聚酮是一種二次代謝產物，不同於蛋白質、碳水化合物等生物生命活動必需的一級代謝產物，二次代謝產物在自然界的生存競爭中發揮作用，各種生物都有其特有的二次代謝產物。這些功能性物質可用於藥物或藥品原料。此外，有觀點認為它還是與其他生物進行交流的物質。
「在思考細胞性粘菌利用聚酮合成酶在做什麼的問題後，我開始認為它可能是為了生存而與其他微生物進行交流」，齊藤教授說道。她同時注意到，存在細胞性粘菌的土壤中必然會有線蟲，所以推測二者之間可能存在某種關係，為此而開始了研究。在這方面，先期的海外研究僅有一篇1996年發表的論文，這位研究人員在培養皿中央放置線蟲，一側放置粘菌和食物，然後觀察線蟲的行為。發現若不放置任何物質，線蟲會在培養皿中自由活動；若僅放置食物，則線蟲會向食物移動；但僅放置粘菌時，線蟲會遠離粘菌。
以這篇文為基礎，齊藤教授對植物寄生性根連結線蟲進行了相同的實驗，發現線蟲的運動會避開粘菌的子實體。此外，即使在培養皿内在濾紙上培養細胞性粘菌，拿掉濾紙去除粘菌後再放置線蟲，線蟲仍會避開該區域（圖1）。這表明粘菌分泌的化學物質具有驅避線蟲的效果。齊藤教授認為，粘菌驅避線蟲有利於自身生存，這一特性或許可以應用於農業。
圖1 細胞性粘菌與線蟲的關係
即使從培養皿上移除粘菌喻體及附著的濾紙，位於區域1與區域2之間的根連結線蟲仍會避開粘菌曾存在過的區域，而向區域2移動。
從新技術說明會到共同研究
量產與確定成分是關鍵
實驗中使用的根連結線蟲是一種會寄生在多種作物上並形成「根結」的線蟲，會對農業生產造成嚴重損害（圖2）。通常，在種植前會向土壤中噴灑農藥以除去線蟲，但在地下深處的線蟲往往能倖存下來。由於種植期間不能使用農藥，線蟲一旦存活下來並寄生，便無計可施。「如果使用來自粘菌衍生的植物保護材料，是否能保護作物免受線蟲相害作用呢？」基於這一想法，齊藤教授在2014年獲得了上智大學研究推進中心的支持，並申請了專利。
圖2 根連結線蟲的危害
被根連結線蟲寄生後形成根結的番茄（左圖）以及苦瓜（右圖）。植物出現這種情況後，便無法有效地吸收養分，導致產量下降，甚至會因虛弱而枯死。此外，根連結線蟲還可能引發青枯病等土壤病害。
在該中心的建議下，齊藤教授於2014年參加了JST（日本科學技術振興機構）的新技術說明會，有多家企業對她的研究的感興趣，並與她進行接觸。其中一家是總部位於京都府長岡京市的PANEFERI工業公司，正在開發利用植物原料的線蟲防治劑。鑑於研究方向的相似性以及該公司線上蟲防治方面的豐富知識和可信賴性，齊藤教授決定與之開展共同研究。「過去主要以基礎研究為主，起初我對自己的研究應用於社會並沒有實際感受。這次得到如此寶貴的機會，令人非常高興。」
在共同研究中，齊藤教授負責確定忌避物質、解析作用機制，以及負責開發忌避物質的量產技術；Panefri工業公司則負責為實用化建立批量生產體系，並在圃田中驗證線蟲的防治效果。2015年，雙方的合作研究入選了JST的「Matching Planner Program」的支持項目，2017年又入選了A–STEP產學共同階段（種子培育型可行性研究）。研究初期，對於研究規模的不同，齊藤教授還曾有過不少困惑。
此前，齊藤教授在實驗室中使用的忌避物質的量大約只有10～20毫升，而企業要求的供應量卻是幾十倍的數規模。為了實用化，齊藤教授認識到建立大量生產體系和確定忌避成分至關重要。經過與Panefri工業公司的商討，她在完成種菌培養型可行性研究後，又回到A–STEP的功能驗證階段，解決了批量生產和確認成分這兩項關鍵問題，之後進入了正式的產學合作階段。
為低成本製造代謝產物開闢道路
瞄準實際莆田的土壤健康化
在實現大量生產系統的過程中，雙方經歷了不斷的嘗試和調整。細胞性粘菌被認為不適合在培養罐内培養，但通過調節攪拌速度、溫度等多種條件，最終克服了這一難題，成功實現了培養規模的飛躍性提升。此外，齊藤教授的團隊還解析了粘菌忌避活性的水溶性成分，並對包括類似化合物在内的約150種化合物進行了線蟲忌避效果驗證。在確定了14種有效成分後，選擇了其中9種進行混合，最終，與粘菌提取液相比，這些混合物僅需約一百分之一的量，就有幾乎相同的活性。這一成果使得通過混合特定的忌避成分，實現比以往更低成本的生產成為可能。
實用化的下一步是驗證在實際圃田中的效果。與實驗室條件不同，實際圃田中不可避免會受到其他微生物和天氣的影響，因此驗證難度也大為上升。目前，在實際圃田中還未獲得充分的結果，今後將進行機制分析和驗證工作。關於研究的未來，齊藤教授展望道；「在研究過程中，我們發現這些忌避物質也有促進植物生長的效果。如果能夠實現實用化，不僅能減少化學農藥的使用量，還能促進土壤健康化。」（圖3）
圖3 使用線蟲忌避材料有望為農業帶來的變化
使用齊藤教授等人開發的線蟲忌避材料，有可能減少化學農藥的使用量，促進土壤的健康化。
日本農林水產省為實現通過創新提升食品及農林水產養殖業的生產力，同時提升可持續性，於2022年制定了「綠色食品系統戰略」。該戰略設定了到2050年將化學農藥使用量減少50%的目標。齊藤教授與Panefri工業公司正在研發的基於粘菌特性的線蟲忌避材料，一定能在不增加生產者負擔的情況下，成為實現這一目標的有效方案之一。（TEXT：櫻井裕子、PHOTO：石原秀樹）
原文：JSTnews 2024年11月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
