Abstract
生物・環境因子は莫大な収穫量と経済的損失をもたらす。 しかし、エンドファイトは植物の耐性を高めるために重要な役割を果たすことができる。 エンドファイトは宿主の様々な部位に体系的にコロニーを形成するが、植物は微生物の感染に対して様々な防御機構を用いる。 エンテロバクター属のようなエンドファイトは、スーパーオキシドジスムターゼ、カタラーゼ、ヒドロペルオキシドレダクターゼなどをコード化し、感染時の酸化的ストレスに対処している。 一方、Subtilomycinを生産し、鞭毛に結合してFlg22による植物防御に影響を与えるものもある。 エンドファイトが宿主植物に接触したときの挙動は、ヒドロラーゼ活性の遺伝子の違いによって影響を受ける。 エンドファイトのライフスタイルは、環境因子、宿主、微生物の遺伝子型に影響され、また、微生物と宿主の間の栄養交換のアンバランスも影響する。 例えば、根のエンドファイトであるPiriformospora indicaのPiAMT1の誘導は、窒素の枯渇を示し、これが腐生プログラムの活性化のトリガーとなる。 微生物は誘導全身抵抗性（ISR）を通して病害抵抗性を高めるが、Bacillus cereusはPR1タンパク質の蓄積によってBotrytis cinereaに対するISRを引き起こし、JA/ETシグナル経路によってMAPKシグナルとWRKY53遺伝子発現を活性化させる。 同様に、Trichoderma arundinaceumはトリコジエンを生産し、サリチル酸（SA）やジャスモン酸（JA）をコードする防御関連遺伝子の誘導を介してボトリティス・シネレアに影響を与える。 このように、エンドファイトは病害の管理に重要な役割を果たすことができる。 作物は複雑な微生物群によってコロニー化されており、その中には有害で病気を引き起こすものもあれば、植物の成長を促進し、多くのメカニズムによって栄養吸収や生物的・非生物的ストレスへの耐性を向上させるものもあります。 宿主に害を与えることなく植物組織内で生育する菌類や細菌はエンドファイトと呼ばれる。 エンドファイトは、自然生態系や管理された生態系に存在するほとんどの植物種と共生している。 エンドファイトは、そのような共生を欠いているものと比較して、宿主のストレス耐性を向上させるために重要な役割を果たす重要な植物のパートナーとして考えられている 。 しかし、多くの細菌や菌類は、宿主植物と相互作用や病原性の関係を構築しています。 ほとんどの場合、相互作用の結果は環境要因、宿主と相互作用する微生物の両方の遺伝子型に依存する。
植物は、パターン認識受容体（PRR）による微生物-/病原体関連分子パターン（MAMPs/PAMPs）の認識を通じて微生物を感知することができる。 PRRは、植物の自然免疫の第一層の引き金となる最初のシグナル伝達に関与する細胞表面認識タンパク質のクラスである。 フラジェリンタンパク質（flg22）と伸長因子Tu（EU-Tu）は、最もよく知られた2つのMAMPs/PAMPsである。 一般に、共生が成立する間、植物防御システムのmiRNAが標的とする経路のほとんどは、そうでなければエンドファイトの増殖を妨害していたであろうものがオフにされる。
エンドファイトは、その起源地にかかわらず、すべての植物種に見られるものである。 宿主の組織に入り込んで増殖する能力を持つため、宿主植物内で多次元的な相互作用を示すユニークな存在である。 エンドファイトの存在により、宿主の活動が影響を受けることが知られている。 エンドファイトは、植物の成長を促進し、病原菌の攻撃に対する防御反応を引き起こし、また、生物学的ストレスの緩和剤として機能することができる。 エンドファイトの化石記録は4億年以上前にさかのぼり、これらの微生物が生息環境の変化に対する宿主植物の適応に関与していることを示唆している。
2 植民地化のメカニズム
微生物は、それが有益であれ植物病原体であれ、根圏能力、宿主植物に達する運動能力、植物内部に侵入して広がるメカニズム、植物免疫を克服する能力などの同様の潜在能力を有している . エンドファイトによるコロニー形成の成功は、植物組織の種類、植物の遺伝子型、微生物の分類群および菌株の種類、生物的および非生物的環境条件などのさまざまな要因に影響される … 続きを読む 同様に、生育培地、植物の年齢と種、接種密度、菌種、およびコニディアの散布速度も、エンドファ イティの定着に影響を及ぼす。 Bamisileらは、柑橘類におけるB. bassianaとM. anisopliaeの定着に苗木の年齢が影響することを報告している。 微生物は、根から芽、芽から花や果実、花から果実や種子へと植物に侵入し、植物器官内外に局在することもある。 Pseudomonas fluorescens PICF7 と P. putida PICP2 は、根毛を通じてオリーブ (Olea europaea L.) に定着し、土壌伝染性真菌 Verticillium dahliae Kleb に抵抗することを可能にした。 一方、ベリー類では、Firmicutes属とBacillus属の一部が種子胚乳の細胞壁に定着することが報告されており、果肉や種子内部だけでなく、花の卵巣内部にも一貫して見出されている . このように、エンドファイトは選択圧によって臓器・組織特異的にコロニーを形成している。
植物は微生物感染に対して様々な防御機構を持ち、宿主植物の反応は、エンドファイトの定着と病原菌の定着とで大きく異なる。 微生物は、宿主植物に定着する前に、宿主植物内の酸化的な環境を生き抜かなければならない。 例えば、Enterobacter sp.は、ポプラ（Populus trichocarpa×deltoides cv. H11-11）に感染した際、スーパーオキシドディスムターゼ、カタラーゼ、ヒドロペルオキシド還元酵素をコードして、酸化ストレスに対処することができる。 また、Chen らは、イネいもち病菌 Xanthomonas oryzae pv. oryzae PXO99 が、エンドファイトの Azoarcus olearius よりもはるかに強い防御反応を誘導することを報告した。 また、ジャスモン酸（JA）シグナル伝達経路に関連する遺伝子の発現が、イネの根においてのみ活性化されるサリチル酸（SA）経路と対照的に、有益なエンドファイトによって常に活性化されていることは、JAが根におけるAzoarcusエンドファイト密度の制御に関与していることを示している。 シロイヌナズナでは、エンドファイト菌であるBacillus subtilis BSn5がsubtilomycinを生産し、flg22による植物防御に影響を与え、最終的に植物内層へのコロニー形成能力を高める。
Endophytic strain Serratia plymuthica G3やQS遺伝子は泳動力やバイオフィルム形成などのコロニー形成に関する重要形質を制御している。 同様に、スーパーオキシドジスムターゼ、推定カタラーゼ、ペルオキシダーゼ、およびレダクターゼの遺伝子は、ジアゾトロピックKlebsiella pneumoniae（Kp）342が植物の活性酸素からその細胞を保護するために使用されている 。 一方、サトウキビでは、shr5遺伝子が有益な微生物と非有益な微生物のコロニー形成に対して異なる発現をしていることが明らかになった。 この遺伝子は、植物内生菌の相互作用が成立する際の植物のシグナル伝達に関与するタンパク質をコードしている。 shr5のダウンレギュレーションは、Gluconacetobacter diazotrophicusのような有益な細菌を接種した場合にのみ発生した。 Kandelらによると、イネの根に定着した初期の段階で、内生菌であるGluconacetobacter diazotrophicusは、スーパーオキシドジスムターゼ（SOD）やグルタチオン還元酵素（GR）などの活性酸素不活性化遺伝子も大量に発現していたという。 同様に、エンドグルカナーゼは内生植物のコロニー形成に大きな役割を果たす。 eglA変異体は、野生株とは対照的に、植物細胞に効率よく侵入し、系統的に植物に定着することができなかった。 アゾアルカス属のエンドグルカナーゼはイネ根の内生コロニー化の成功に重要な決定因子である。
3 内生行動
ほとんどの植物病原菌は植物細胞壁分解酵素をコードする遺伝子を保有している。 しかし、非植物病原菌はセルラーゼ/ヘミセルラーゼ（あるいは細胞壁分解ヒドロラーゼ）以外のグリコシドヒドロラーゼを保有している場合がある。 この酵素が多数のエンドファイトに存在することは、有能なエンドファイトの有用な構成要素であるかもしれない糖利用の多様性において、その役割を果たす可能性と一致する . Taghaviらによると、Enterobacter sp.のゲノムはセルロース分解に関わるタンパク質をコードしておらず、このことはエンドファイトとポプラの木との相互作用において、非病原性の挙動と一致している。 エンドファイトの挙動は、様々な転写調節因子を含む保存されていることが判明している様々な遺伝子によって影響を受ける可能性がある。 例えば、LrgBファミリータンパク質の存在は、主にヒドロラーゼ活性の制御に関与しており、その最も可能性の高い機能は、植物感染時にエンドファイトが植物宿主と接触したときに起こる。
タンパク質分泌は、植物と微生物の相互作用を定義するのに大きな役割を果たす。 エフェクタータンパク質の輸送は、宿主の防御を抑制することで細菌の寄生生活に重要な役割を果たす一方、宿主がエフェクタータンパク質を認識するたびに、エフェクターが引き金となる免疫応答が促される。 この文脈で特に重要なのが、T3SSとT4SSである（図1）。 一方、相互作用するエンドファイトのゲノムには、T3SSの遺伝子がほとんど存在しないか、不完全であることが分かっている。 彼らは、機能的なT3SSを失った武装解除された病原体と考えることができ、内生植物的な生活様式に進化したのである。 例えば、Salmonella EntericaのT3SS変異体は、Medicago truncatulaにおいて内生植物性のコロニー形成を増加させることが示された。 一般に、タイプIとタイプIIの分泌系はいくつかの細菌のエンドファイトに存在するが、タイプIIIとタイプIVの分泌系は主に病原性細菌に存在し、エンドファイトにはほとんど存在しない．
植物受容体FLS2は細菌のフラジェリンを認識して植物の防御を開始させる。 シロイヌナズナやニコチアナ・ベントハミアナでP. syringaeフラジェリンを認識すると、気孔閉鎖とMAPキナーゼの活性化が引き起こされることが報告されている.また、P. syringaeフラジェリンを認識すると、気孔閉鎖とMAPキナーゼの活性化が引き起こされることも報告されている. これにより、病原体応答性遺伝子の転写誘導、活性酸素の生成、カロースの沈着が起こり、細胞壁が強化され、感染部位での微生物の増殖が防がれることが知られています。 しかし、相互作用性エンドファイトである Paraburkholderia phytofirmans PsJN のフラジェリンは、酸化的バーストを伴う弱い一過性の防御反応を引き起こすが、その程度は病原性相互作用と比較して低いものであった . また、鞭毛生合成のダウンレギュレーションと鞭毛モーター回転に関する機能のアップレギュレーションは、エンドファイトが鞭毛PAMPsを隠して植物環境中を速く移動することを支援し、伸長因子EF-Tuのダウンレギュレーションはエンドファイトによるイネのコロニー形成を可能にした。
LPSも病原体と非病原体のエンドファイトに対して異なるホスト応答を誘導することが知られている。 植物に有益なP. phytofirmans PsJN株からのLPSは、ジャガイモの葉において、防御様PR1、スーパーオキシドジスムターゼ、COP9シグナルソーム複合体などの防御遺伝子をダウンレギュレートし、植物が非病原性エンドファイト由来のLPSを特定できることを示している。 全体として、抗生物質耐性（evgSとevgA）、酸化還元反応（regBとregA）、窒素酸化と代謝（ntrYとntrX）、細胞運命制御（pleCとpleD）に関与すると考えられる遺伝子は植物病原体よりエンドファイトで多く見いだされた。
4.菌類における生活様式の切り替え
菌類は植物系に侵入した後、生存戦略や生活様式を変えて植物と密接に関わりを持つようになる。 内生菌は宿主植物から有機栄養素や保護膜を受け取り、次の宿主世代への感染を保証されることで利益を得ており、逆に感染した宿主植物は草食動物や線虫、病原体に対してより生命力が強く、ストレス耐性が高く、毒性を持つようになる。 真菌類エンドファイトは広い宿主域を持ち、毒性代謝物の生産、植物エリシターの改変、植物免疫系の抑制など、宿主内部システムに侵入するための多くの戦略のうちの1つを選択することができる ……このような真菌類エンドファイトが、植物に感染することによって、植物が受けるストレスやストレスの影響を軽減することができる。 宿主嗜好性は寄生型、共生型の植物-菌類相互作用において重要なパラメータであり、宿主植物とその菌類パートナーとの同居・共進化による密接な適応に由来し、最終的にパートナーシップを強化し、双方のパートナーの遺伝子構成に永久的に刷り込まれる
宿主と微生物の遺伝子型は特定のライフスタイルを表現する上で最も重要な因子である。 この相互作用は柔軟な相互作用と考えることができ、その方向性はある程度、宿主に対する真菌の遺伝子発現のわずかな違いによって決まり、さらに宿主の真菌に対する認識や反応によっても決まる。 宿主の遺伝子型と共生生活の発現の関係を調べたいくつかの研究では、いくつかの菌種の個々の分離体が、宿主の遺伝子型によって寄生的生活と相互依存的生活のどちらかを発現することが示された。 真菌のライフスタイルが内生から寄生に変化する遺伝的・生化学的基盤は、植物と真菌の間の栄養交換のアンバランスによって特徴づけられる。 Rai と Agarkar によると、C. magna の強毒分離株（CmL2.5）の紫外線変異誘発により、宿主植物の病気や乾燥に対する適応力が強化されるとのことである。 同様に、無症候性エンドファイトであるDiplodia mutilaは、その生活様式を病原性へと変化させる。 Alvarez-Loayzaらは、高い光はエンドファイトの病原性を誘発し、低い光はエンドシンバイオティックの発達をサポートすると報告している。 高照度下での病原性は、光によって菌がH2O2を生成し、過敏症、細胞死、組織の壊死を誘発することに起因する。 この研究により、エンドファイトは自然生態系における植物と菌類の相互作用に影響を与える外来因子に反応し、その影響因子として光が同定されたことが示された。 一般に、宿主に定着した際にエンドファイトから病原性へ、あるいはその逆へと生活様式が変化するのは、宿主因子とのバランスのとれたコミュニケーションが阻害されるためと考えられる。
根のエンドファイトであるPiriformospora indicaが低発現を誘導するには十分な窒素源の供給が必要である。 インディの高親和性アンモニウムトランスポーターが、宿主のコロニー形成時に作用する。 一方、PiAMT1 の誘導は窒素の枯渇を示し、これが加水分解酵素をコードする真菌遺伝子の植物体内での発現の引き金となり、腐敗防止プログラムが活性化されることを示す。 PiAMT1のサイレンシングは、真菌のキシラナーゼの発現を低下させ、宿主の防御反応を低下させることが知られている。 したがって、P. indicaの生活様式が腐植に切り替わるには、PiAmt1の発現とシグナル伝達機能が必要であることがわかった。 また、Pinus sylvestrisとNeurospora crassaの間のコミュニケーションの阻害は、内生植物から病原体へのライフスタイルの変化に一役買っている。 Nox複合体の構成要素（NoxA、NoxR、RacA）やストレス活性化MAPキナーゼ（SakA）が破壊されると、この絶妙なバランスの会合が崩壊し、相互主義から病原性感染症に至るのである。 sakA変異体では、真菌のヒドロラーゼやトランスポーターの劇的な発現上昇が観察され、制限的な共生から増殖性の病原性成長への切り替えと一致する変化であった。 微生物が宿主によってその関係を変えることがある。 宿主への感染と定着には、遺伝子、糖質活性酵素（CAZymes）、壊死を誘発するエフェクターの時間的な誘導が重要な役割を果たすと考えられている。 Fusarium virguliforme のエフェクターと CAZymes は、ダイズ感染根ではトウモロコシと比較して、感染直後から時間的 に異なる波で発現していることが明らかになった。 さらに、ダイズへの感染初期にZn(II)-Cys6遺伝子の発現が増加することは、ダイズに対するF. virguliformeの病原性増強に関与している可能性が示唆された。 植物病害抵抗性の誘導
内生菌のマイクロバイオームは、特にストレス条件下で宿主のパフォーマンスに大きく影響し、環境変化に対する植物の応答を決定的に変化させることで植物のマイクロエコシステムの機能を媒介することが知られている. そのため、シデロフォアの生産は、鉄キレート作用に加え、ミネラルの供給力を高めることで植物の成長に重要であり、また、他の抗菌化合物の生合成を促進することで病原菌の抑制に関与している。 エンドファイトが植物組織に広く増殖・定着することで、既存のエンドファイトが病原微生物と競合し、病原微生物の定着を防ぐ「バリア効果」が生じる。 同様に、エンドファイトは、抗菌性または誘導された全身抵抗性によって、植物を生物学的ストレスから保護または準備し、成長と収量を高めるのに役立つので、植物の健康を維持するために不可欠な役割を果たす。 微生物や病原体関連分子パターン（MAMPs/PAMPs）は、微生物の生存に必要な保存された必須構造であるが、植物はそれを認識して植物免疫系を誘導するために複数の受容体タンパク質のファミリーを進化させてきた（図2）。 パターン認識受容体（PRR）は、病原体または微生物関連分子パターン（PAMPsまたはMAMPs）と呼ばれる、細菌フラジェリンや真菌キチンなどの一般的な微生物化合物を認識するために進化してきた。 パターン認識は、PAMPトリガー免疫（PTI）と呼ばれる防御の第一線に変換され、最も潜在的な侵略者を制御下に置く。
Beauveria bassianaによるトマトと綿の種子処理は、Pythium myriotylumとRhizoctonia solaniに対する保護を誘導した。 同様に、Beauveria bassianaは害虫Diaphorina citriに対するCitrus limonの植物抵抗性を誘導することが知られている。 内生菌Lecanicillium longisporumはキュウリのうどんこ病とアブラムシを抑制する。 内生菌Bacillus cereusは、PR1タンパク質の経時的な発現蓄積、過酸化水素蓄積、カロース沈着を促進することにより、シロイヌナズナのBotrytis cinereaに対するISRを誘発することを明らかにした。 ミトジェン活性化プロテインキナーゼ（MAPK）カスケードは、外部刺激とシグナル伝達を解読することにより、生物的および非生物的ストレス応答において重要な役割を担っている。 内生植物は、NPR1依存的に、JA/ETシグナル経路による病原体関連分子パターン（PAMP-）誘発免疫（PTI）に関与するMAPKシグナルとWRKY53遺伝子の発現を活性化させる。 また、細菌性エンドファイトであるAzospirillum sp.は、イネのいもち病に対する全身病抵抗性を誘導し、エンドファイトによるイネの誘導全身抵抗性（ISR）には、ETシグナルが必要であることがわかった . ジャスモン酸（JA）とエチレン（ET）シグナルの組み合わせは壊死性病原体に対する抵抗性を活性化し、一方サリチル酸（SA）シグナルは生物栄養性および半生栄養性病原体に対する抵抗性を誘発する。
エンドファイトはカロース、ペクチン、セルロース、フェノール化合物の堆積などいくつかの細胞壁の変化を誘発し、植物病原体の攻撃を受けると考えられる場所に構造バリアを形成することにつながる。 同様に、ペルオキシダーゼ、キチナーゼ、β-1,3-グルカナーゼなどの防御関連タンパク質を誘導する。 Trichoderma arundinaceum はトリコジエンのような VOC を生産し、サリチル酸 (SA) とジャスモン酸 (JA) をコードするトマト植物防御関連遺伝子の発現を誘導することにより Botrytis cinerea に影響を及ぼす。 大麦にオキソ-C14-ホモセリンラクトン（AHL）生産菌Ensifer melilotiを接種すると、Puccinia hordeiに対する抵抗性が増強されることを明らかにした。 Pseudomonas chlororaphis subsp. aurantiaca PB-St2のゲノム解析から、アシルホモセリンラクトン（AHL）生合成遺伝子phzI、csaI、aurIが存在し、AHL生産に関与していることが明らかになり、生物制御活性に関与している可能性が示された。 同様に、Pseudomonas fluorescensから得た抗真菌遺伝子phzで修飾したエンドファイトPseudomonas putidaは、小麦畑の土壌の真菌の人口減少に大きな役割を果たしている。
Lipid transfer protein（LTP）は生物的および外来ストレスに対する植物の応答で役割を果たす。 LTP1はジャスモン酸と結合し、共にエリシチン結合部位に対してより強い親和性で競合し、散布地点から離れた場所で抵抗性を誘導することが可能である。 LTP様タンパク質をコードするCaLTP-Nを発現させると発病が抑制されたことから、LTPはTrichoderma種がピーマンのPhytophthora感染に対して誘導する抵抗性の機能的構成要素であることが示唆された . エンドファイト菌であるPenicillium citrinum LWL4およびAspergillus terreus LWL5は、グルタチオンおよびポリフェノールオキシダーゼの活性化、カタラーゼおよびペルオキシダーゼのダウンレギュレーションによる酸化的ストレス応答の制御によってヒマワリの Alternaria alternataによる菌類感染を軽減した。 同様に、エンドファイトを接種した葉ではアミノ酸含量が高く、このような変化は植物組織における細胞死を遅らせ、菌類の進行を妨げることを示唆している 。
種子由来のエンドファイト微生物Bacillus amyloliquefaciens RWL-1は、アスパラギン酸、グルタミン酸、セリン、プロリンなどのアミノ酸生合成を活性化し、トマトの病原性Fusarium oxysporum f. sp. lycopersiciに対する病害抵抗性を誘導することが明らかになった。 これらは、病原体形成時の植物防御の誘導に重要である。 Proは病原体の攻撃時に細胞壁を強化する役割を担っている。 フェニルアンモニアリアーゼ（PAL）、ポリフェノールオキシダーゼ（PPO）、ペルオキシダーゼ（PO）などの防御関連酸化酵素のレベルは、細菌エンドファイトで処理したトマト植物で高く、トマトのFusarium wiltに対する誘導全身抵抗性がもたらされた.
6.結論
エンドファイトが宿主内にうまく定着するかどうかは、組織の種類、宿主の遺伝子型、微生物、そして環境条件によって影響される。 エンドファイトによってコロニー化された作物は、そのような共生を持たない作物よりもストレス耐性が高い傾向にある。 植物防御のためにmiRNAが標的とする経路の多くは、共生が成立する間にオフになる。 同様に、同化経路に関与する遺伝子は、植物病原体とは対照的に、エンドファイトではより多様で豊富である。 エンドファイトの挙動は、様々な転写調節因子を含む保存されている遺伝子によって影響を受けることが分かっている。 エンドファイトは、鞭毛の生合成を抑制し、鞭毛のモーター回転に関する機能をアップレギュレートすることで、鞭毛PAMPsを隠し、植物体内でより速く移動することができる場合がある。 内生植物は植物に侵入した後、様々な生存戦略や生活パターンを用いる。
エンドファイトは、環境変化に対する植物の応答を変化させることで、ストレス条件下における宿主の性能に影響を与えることが知られている。 彼らは病原性微生物と計算し、それらが定着するのを防ぐだけでなく、障壁として機能することができる。 同様に、抗菌作用や全身抵抗性の誘導によって、植物の健康を維持し、成長と収量の向上を支援することができる。 エンドファイトによる誘導抵抗性には、ジャスモン酸（JA）、エチレン（ET）、サリチル酸（SA）のシグナル伝達が必要である。 逆に、エンドファイトはアミノ酸の生合成を活性化することで病害抵抗性を誘導することができる。 エンドファイトは、環境にやさしい方法で宿主に改良されたストレス耐性を提供することにより、収量の損失を最小限に抑え、それによって農業の生産性を高める可能性を持つ非常に重要な植物パートナーであると考えられている