Root Microbiome Modulates Plant Growth Promotion Induced by Low Doses of Glyphosate

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Ramirez-Villacis DX, Finkel OM, Salas-González I, Fitzpatrick CR, Dangl JL, Jones CD, Leon-Reyes A.

mSphere. 2020 Aug 12;5(4):e00484-20.

doi: 10.1128/mSphere.00484-20. PMID: 32817451; PMCID: PMC7426167.

Root Microbiome Modulates Plant Growth Promotion Induced by Low Doses of Glyphosate | mSphere
Since the introduction of glyphosate-resistant crops, glyphosate has become the most common and widely used herbicide around the world. Due to its intensive use...

 グリホサートは、シキミ酸経路の5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase(EPSPS)に可逆的に結合して芳香族アミノ酸の産生を阻害する一般的な除草剤である。EPSPSという酵素はすべての高等植物に必須であるため、グリホサートは除草剤として幅広い作用スペクトルを有しており、グリホサート耐性の商業作物(すなわち「ラウンドアップレディ」)が開発されて以来、その使用が増加している。しかし、亜致死量のグリホサートは植物の成長を誘導し、植物の乾燥質量を125%も増加させることが示されている。

 ホルミシスと呼ばれるこの現象は、いくつかの種で報告されているが、広くは知られておらず、ホルミシスはまだ十分に理解されていない複数の要因に依存していることを示唆している。例えば、これらの研究のほとんどは、微生物が存在しない条件下、または開放系または閉鎖系で滅菌した基質を用いて微生物負荷を低減した条件下で実施されている。微生物群集が存在する農業分野で実施された例はわずかである。グリホサートの標準用量の適用は、土壌微生物群の組成に小さな変化をもたらすことが知られている。グリホセートはまた、根圏の細菌の遺伝子発現を変化させ、炭水化物およびアミノ酸代謝転写物を減少させ、タンパク質代謝、呼吸、遺伝子転写を亢進させる。

 グリホサートの根圏微生物への影響から、低用量でのグリホサートによる生育促進は根の微生物群が調節しているのではないかとの仮説を立てた。この考えを検証するために、我々はシロイヌナズナを植物モデルとして、また、以前に他の研究で特徴づけられた合成細菌群集(SynCom)をモデル根の微生物群集として使用した。SynComは、2つの野生土壌で栽培された健全なシロイヌナズナ植物の根内生コンパートメントから分離された185株の細菌で構成されている。このシステムの主な利点は、同一の環境条件下で、自然の根の微生物群集を代表する細菌群集を、接種していない対照と対比させることができることである。

 我々は、3.6 × 10-6 g の酸当量/リットル(低用量のグリホサート、low dose of glyphosate: LDG)の用量は、微生物接種されていない植物のシュートの乾燥重量を約14%増加することを発見した。意外なことに、SynComを接種した植物では、LDGはシュートの乾燥重量を約17%減少させた。LDGは2つのFirmicutes株と2つのBurkholderia株を増加させていることがわかった。これら菌株は、monoassociation assayでは根の成長阻害剤(root growth inhibitor: RGI)として作用することが知られている。RGI 株をコミュニティから除外すると、LDG による生育誘導が回復した。最後に、LDG に対する反応を生長促進から生長阻害に切り替えるには、いくつかの特定の植物体からの RGI 株で十分であることを示した。我々の結果は、グリホサートホルミシスは根のマイクロバイオーム組成、特に根の成長阻害株の存在に完全に依存していることを示している。

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