今日の話題
78 化学と生物 Vol. 51, No. 2, 2013
バイオコントロール細菌の抗菌性制御機構
細菌にしっかり働いてもらうためには
は環境中に広く生息するグ ラム陰性細菌であり，そのうちのいくつかは植物の根圏 において病原微生物と拮抗することにより植物を保護す るバイオコントロール細菌としての特徴を有する．
が病害防除に役立つ原因の一つに，本細菌が その二次代謝産物として抗菌性物質などのバイオコント ロール因子（フロログルシノール，ピオルテオリン，
AprAプロテアーゼなど）を菌体外に産生することが挙 げられ，これにより病原微生物は駆逐される（1）
．バイオ
コントロール因子をコードするmRNAは通常，リプ レッサー （RsmA, RsmE） によって負に制御されてい る．しかし増殖に伴いGacS/GacAと呼ばれる二成分制 御系が活性化されると，同調して small RNA （RsmX, RsmY, RsmZ） の量が増え，これらにより上述のリプ レッサーはトラップされ，結果としてフリーになった mRNAの翻訳が進みバイオコントロール因子の産生量 が高まる（図1
）．こうした仕組みが現在までに明らか
に さ れ て き た が，こ のGac/Rsmシ グ ナ ル 伝 達 系（Gac : Global activator, Rsm : Regulator of secondary metabolism） と呼ばれる一連のカスケードは細菌のライ フサイクルのなかで常に発動しているわけではなく，ど のような「きっかけ」で発動するようになるのかについ ては不明な点が多い．そこで筆者は，発動のきっかけと なる因子を探索し，それらを制御しつつ「バイオコント ロール細菌をコントロール」することができれば，本細 菌による植物保護効果をより高められるのではないか，
という視点のもと研究を進めている（2）
．
細菌のライフサイクルを語るうえで欠かせないのが，
その社会的，集団的な行動様式であるが，これについて は細胞内外を行き来する低分子シグナル物質（オートイ ンデューサー）によるcell-to-cellコミュニケーション，
すなわちクオラムセンシングが代表的である．上述の によるバイオコントロール因子の発現制 御機構も菌密度依存的であるためクオラムセンシングの 様式にあてはまるものであるが，オートインデューサー に該当する物質はいまだ単離されていないなど不明な点 が多い．一方で近年，そうしたオートインデューサー以 外にも，核酸を基本骨格とした分子が細菌のさまざまな
表現型を支配するシグナル物質となりうるという報告が 増えてきている．セカンドメッセンジャーと呼ばれるそ れ ら の シ グ ナ ル 物 質 に は，cAMP（サ イ ク リ ッ ク AMP）
，c-di-GMP（サイクリックdi-GMP） ，ppGpp（グ
アノシン四リン酸）などが含まれる（3）．
筆者らはバイオコントロール細菌の菌体内における代 謝物質と，本細菌の抗菌性との関連性を明らかにするた め，抗菌性に差の見られる変異株を用いたメタボローム 解析を行った．解析に供したのは上述のGacAの欠損変 異株，およびGacS/GacAを負に制御するRetSの欠損変 異株である（図1）
．
変異株ではGac/Rsmシグナル 伝達系がシャットダウンされ，small RNAの発現量の 低下およびそれに伴う抗菌性の低下が見られるが，変異株はそれとは相反する表現型（高レベルのsmall RNA発現，および抗菌性の亢進）を示す．また，筆者 らは以前TCAサイクルにかかわるFumaraseを欠損さ せた変異株（ 変異株）は 変異株と類似した表 現型を示すことを明らかにしており（4）
，これも解析に供
した．メタボローム解析結果の全体像として 変異 株は特にユニークな代謝パターンを示しており，GacS/GacA制御系が二次代謝のみでなく一次代謝にも関与す ることが明らかとなった．さらに， 変異株と
図1■ のバイオコントロール因子
の発現制御機構のモデル
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変異株では欠損させた遺伝子の機能は全く異なるもの の，代謝パターンが類似しており表現型と相関するなど 興味深い結果が得られた（5）
．
メタボローム解析で検出された代謝物質のうち，
変異株と 変異株の間で蓄積パターンが逆と なった代謝物質に着目すれば，GacS/GacAの制御下に あり抗菌性にも関与する物質の発見につながるのではな いかと考えた．そうした物質のなかに上述のppGppが 含まれており， 変異株ではppGppの蓄積量が高 まった一方， 変異株では低下していた．そこで
におけるppGppの役割を詳細に調べること とした．
ppGppは約40年も前に，アミノ酸飢餓に陥った大腸 菌から見いだされた物質であり，その合成酵素RelAを 欠 損 さ せ た 変 異 株 （relaxed mutant） で はstableな RNA （rRNAやtRNA） の合成を切り詰めなくなるな ど，警告物質 （alarmone） として機能することが発見当 初から明らかになり，長きにわたり研究されてきた（6）
．
そのメカニズムを簡単に述べると以下のとおりである．細胞内でアミノ酸が飢餓状態になると，アミノ酸を チャージしていないtRNAがリボソームに取り込まれる ようになり，それまでmRNA上をスムースに移動して いたリボソームが失速していく．そのことをppGpp合 成酵素であるRelAタンパク質が感知し，ppGppの蓄積 量が高まる．ppGppは，RNAをこれ以上作らせないよ うにstable RNAの合成に負に働く一方，アミノ酸合成 やタンパク質分解にプラスに作用しアミノ酸を補充しよ うとする．こうした巧妙な制御にかかわる分子だが，近 年，病原細菌の病原性など，警告物質としての機能以外 にも細菌のさまざまな表現型に影響することが報告され るようになったことから， における役割 についても興味がもたれた．
ppGppの合成，分解には，合成酵素RelAのほか，分 解と合成の両方を司る酵素SpoTが関与する．そこで，
のRelAおよびSpoTのホモログの同定，
およびそれらの欠損変異株の作出を行い解析に供した．
その結果， / の二重変異株ではppGppの蓄積 が見られず，かつ，small RNA発現量の低下および抗 菌性の低下が確認された．すなわち，ppGpp自身は Gac/Rsmシグナル伝達系に対しポジティブに関与する ことが示唆された．ppGppがGac/Rsmシグナル伝達系 のどの段階に関与するかについては明らかではないが，
筆者らの推測ではGacS/GacA二成分制御系か，あるい はsmall RNAに作用していると考えている（図1）
．ま
た，キュウリ幼苗と植物病原菌を用いた実験から，/ 二重変異株では植物保護能力も顕著に低下す ることが明らかとなったほか，細菌の運動能力および植 物根への定着能を評価したところ，野生株と比較し顕著 な低下が見られたことから，ppGppは抗菌性以外にも 運動能力や定着能といった環境中の適応能力にも影響 し，本細菌の総合的なバイオコントロール活性を維持す るために重要であることが示された（5）
．
ただ，small RNA発現量や抗菌性の低い 変異株 でppGppの蓄積量が高まっていたことは，一見矛盾す るようにも思われる．この原因を明らかにするため，
のプロモーター活性を 変異株と野生株の間で 比較したところ， 変異株では高菌密度下における 活性が高まっていた．このことから，ppGppの蓄積は GacS/GacA二成分制御系により負に制御されているこ と が 示 唆 さ れ た（お そ ら く 下 流 の リ プ レ ッ サ ー が ppGpp量 を 正 に 制 御 す る こ と に よ る ）
．
す な わ ち，ppGppとGac/Rsmシグナル伝達系の間には，negative- feedback loopが存在し，ppGppの産生が高まりすぎな いよう自ら律しているのかもしれない．また，アミノ酸 飢餓とGac/Rsmシグナル伝達系のつながりの意義を説 明するとすれば，環境中の栄養の枯渇をバイオコント ロール細菌が自身のppGppを介して感じ取ったのち，
周辺のほかの微生物との競合に打ち勝つため，Gac/
Rsmシグナル伝達系を発動させて抗菌性物質を産生し ているとも言える．
今 回，バ イ オ コ ン ト ロ ー ル 細 菌 の 抗 菌 性 制 御 に ppGppが関与することを示したが，それ以外の物質も かかわっていると予測される．植物根圏は植物，土壌，
微生物などさまざまな因子が絡んでくるうえ，生き物で あるバイオコントロール細菌を理論どおりに操るには困 難が伴うが，抗菌性制御機構を理解したうえでバイオコ ントロール細菌にしっかり働いてもらうためにはどのよ うな条件が好ましいかを明らかにしていきたいと考えて いる．
謝辞：本稿で紹介した研究の一部は科学研究費補助金および農業・食品 産業技術総合研究機構生物系特定産業技術研究支援センター「イノベー ション創出基礎的研究推進事業 （BRAIN）」の支援を受けたものである．
1） 土屋健一，染谷信孝： 微生物と植物の相互作用―病害と
生物防除―，百町満朗，對馬誠也編，ソフトサイエンス
社，2009, pp. 36‒43.
今日の話題
80 化学と生物 Vol. 51, No. 2, 2013
2） 竹内香純：バイオサイエンスとインダストリー，70, 23
（2012）.
3） C. Pesavento & R. Hengge : , 12, 170 （2009）.
4） K. Takeuchi, P. Kiefer, C. Reimmann, C. Keel, C. Dubuis, J. Rolli, J. A. Vorholt & D. Haas : , 284, 34976 （2009）.
5） K. Takeuchi, K. Yamada & D. Haas : ,25, 1440 （2012）.
6） K. Potrykus & M. Cashel : , 62, 35
（2008）.
（竹内香純，農業生物資源研究所）
プロフィル
竹内 香純（Kasumi TAKEUCHI）
＜略歴＞2000年岡山大学大学院修士課程 修了／同年農林水産省農業生物資源研究所 研究員／2001年農業生物資源研究所研究 員／2010年同主任研究員，現在に至る．
この間，2004年博士（農学，岡山大学）， 2007 〜 2009年ローザンヌ大学にて在外研 究＜研究テーマと抱負＞植物関連細菌（主 に 属細菌）の研究．特にバ イオコントロール細菌の抗菌性発現制御機 構を解明し，植物保護に役立てたい＜趣 味＞イヌ
