新しい研究により、健康な植物に生息する菌類は気候変動に敏感であることが判明

トウヒ、マツ、モミ、その他の木々が、北米、北ヨーロッパ、ロシアにまたがる極寒の大地にそびえ立ち、世界中を環状に囲んでいます。 これらの北方林は、地球上で最大の陸上生態系であり、最北端の森林を構成しています。

北方樹木の光合成、つまり光を食べる組織と、それらの間の地面を覆う豊富な雲のような地衣類や羽毛のような苔の中に、菌類が生息しています。 これらの菌類は内部寄生菌であり、植物内で相互に有益な配置で生息していることを意味します。

「植物であるということは、菌類の世界で生きるということだ」と、農業生命環境科学部植物科学部および理学部生態学・進化生物学部教授のベッツィ・アーノルド氏は言う。 Bio5研究所のメンバー。 「内生菌は、まだ完全に理解されていない方法で植物の健康に不可欠ですが、一般的に内生菌からわかっていることは、内生菌は植物を病気から守り、植物が環境ストレス要因に対してより耐性を持つのを助けるのに非常に優れているということです。それらは、植物についての私たちの考え方における重要な革命の一部でした。」

10年以上前、アーノルドと彼女のチームは、これらの真菌種がさまざまな微環境にどのように適応し、将来の気候変動下でどのように生き残る可能性があるかを理解するために、カナダ北東部の荒野の奥深くへ1か月間にわたる冒険に出発しました。

彼らは、菌類の多様性が非常に高く、それらが地域の条件に非常に特異的な方法で適応していることを発見し、菌類が将来の気候の変化に敏感であることを示唆しています。 菌類の健康状態は宿主の健康状態と密接に関係しているため、これらの発見は将来の北方林全体の健全性と地球全体に影響を及ぼします。

「北方林は地球の炭素と水の循環の中心です」とアーノルド氏は語った。 「そして私たちの研究は、それらが世界で最も進化的に多様な真菌の内部寄生菌のいくつか、つまり他のどこにも見られない内部寄生虫の本拠地であることを強調しています。」

10年以上の分析を経て、その結果は雑誌に掲載されました。 現在の生物学。

「私たちの共同研究は、新たに発見された内生菌類の北方生物群系の多様性と、それらの気候に対する感受性を明らかにしました」と研究共同主著者の大分修三氏は述べた。彼はアーノルド研究室で博士課程を修了し、現在は住友化学の研究員である。ケミカル株式会社 「エンドファイトは健全な植物組織に発生するため見過ごされがちですが、生物多様性や生態系におけるエンドファイトの重要性が最近明らかになってきました。」

菌類を求めて飛ぶ

この結論に達するためのデータ収集は、アーノルドとその同僚が人生で最も集中的なフィールドワークを行う必要がある膨大な作業であった、と彼女は語った。

アーノルド氏によると、2011年の夏の1か月間、チームは「道路が通じない場所にアクセスする」ために専門パイロットと契約したという。 6人のチームはカナダ南部の北方林を北極のツンドラの端まで横断し、途中の湖に水上飛行機を着陸させた。

風景の中に点在する人里離れた湖の間を36回離着陸した。 通常、各サンプルサイトで約 6 ～ 24 時間を費やしました。

彼らは日中、健康なトウヒの葉や新鮮なコケや地衣類を地面から集め、科学の宝物をジッパー付きの袋に詰め込みました。 彼らはまた、樹木の年輪コアを掘削し、年齢や山火事への曝露などの過去を明らかにすることを望んでいた。 彼らはまた、景観全体で植物がどのように変化するかを理解するために、さまざまな森林の特徴を測定しました。

夜、オーロラが頭上に舞う中、彼らはパイロット宿舎内の移動式実験室でサンプルを処理した。 彼らは、新鮮な組織の表面を滅菌して DNA 抽出の準備をし、真菌培養物を分離してサンプル内に生息する菌株を視覚化して文書化しました。

「私たちは午前2時か3時まで働き、数時間眠ってから次の現場に向かうこともよくありました」とアーノルド氏は語った。 「菌類の世界では、1 時間のフィールドワークは特性評価の 1 年、潜在的な分析の 10 年に相当します。そして、わずか数週間で、多くの領域を網羅することができました。」

彼らは暖かい南部地域から寒い北部へ移動しながら、約160マイルの間隔でサンプリングを繰り返した。 アーノルド氏によると、彼らは同じように広大だが気候の変化がほとんどない単一の緯度帯に沿ってサンプリングしたという。

彼らは、菌類の生物多様性の違いが距離だけではなく環境の違いによって本当に引き起こされていることを確認するために、これら 2 つの次元で戦略的にサンプリングを行いました。 彼らは移動住宅であるデハビランド オッターで一緒に約 1,500 マイルを飛行し、しばしば追加の燃料タンクと移動スペースを共有しました。

古い研究では、生物多様性と緯度との相関関係が調査されており、緯度は気候の代用としてよく使用されます。 これらの研究により、一般に赤道に近づくほど生命はより多様になることが判明したとアーノルド氏は述べた。 たとえば、多くの生物群については、熱帯雨林の生物の方が北極のツンドラの生物よりも生物多様性が高いです。

北方帯の菌類に関しては、それほど単純ではないことがわかりました。

「我々は、北方の菌類群集が、植物群落と同じように予測可能な方法で気候に応じて必ずしも変化しないことを示しました。むしろ、これらの菌類に対する気候の影響は、菌類の種と宿主の両方に大きく依存します」と共同筆頭著者は述べた。 Jana U’Ren は博士課程を修了し、ワシントン州立大学に移る前にアーノルドの博士研究員としてこのプロジェクトの実験室分析を実施しました。 「これは、一か所だけでなく、北方生物群系全体で植物とその真菌内部寄生菌を保護する必要があることを意味します。そうしないと、これらの重要な森林で重要な生物多様性と保護菌類が失われる危険があります。」

アーノルド氏は、植物が直面する特有のストレスにもかかわらず、植物が理想的な内部寄生虫のパートナーを見つけて繁栄するにつれて、これらの真菌内部寄生虫の特殊な気候依存性は、宿主との共進化のプロセス、つまり彼女の言葉を借りれば「研究開発」を反映していると考えている。この厳しい北方の風景の中で。

「内生菌は世界中で見られますが、異なる環境には特徴的な内生菌が存在します。私たちは、内生菌との共生が、植物が地球規模での環境課題を克服する方法の一部、つまり内部の真菌パートナーとの共生にあると考えています。」とアーノルド氏は述べています。言った。

「個々の内部寄生虫が個々の植物に対して正確に何をするかについては、多くの情報がありません。したがって、これらの内部寄生虫が誰であり、それらがどのように分布し、どのように影響するかを解明しようとしたという意味で、私たちの研究は基礎的なものです。気候の変化とともに変化します。」

彼女は、将来の研究がその発見を発展させることができることを望んでいます。

「私たちが知っているのは、森林が変化しているときに生物多様性が失われつつあるということですが、重要な機能要素が何なのかはまだわかっていないのです」と彼女は言う。

共同研究者のフランソワ・ルツォーニ氏（デューク大学生物学教授であり、アーノルド氏とこの研究の共同設計者）も同意した。

「これは私がこれまでに行ったフィールドワークの中でも最も複雑なものの一つでしたが、同時に最も爽快な研究経験の一つでもありました」とルッツォーニ氏は語った。

「変化する世界における生物多様性を記録することは、不可欠な研究です。私たちが収集した標本は植物標本に保管されているため、種、その分布、遺伝子、そしてそれらが生息する生態系が時間の経過とともにどのように変化するかを理解するための永続的な価値があります。次に、最善の方法は、ハーバリアが科学界に役立つためには、世界クラスの大学の研究室と統合する必要があります。」

この考え方の中で、アーノルド氏は現在、アリゾナ州産のエンドファイトを使用して、この変化する世界における作物の回復力を強化することに取り組んでいます。

「北方林に予想外の多様な内部寄生虫が存在するのと同じように、ここアリゾナ州の植物も同様です」とアーノルド氏は語った。 「私たちの次のステップは、これらの豊富で太古の内部寄生菌を、植物の繁栄を助けるツールとして活用することです。最終的には、これらの菌類を地球規模で理解することで、地球の生物多様性の重要な要素の過去と未来を描くだけでなく、それを理解できるようになることを願っています」 「しかし、地元の菌類を利用して、限られた水と気温の上昇でも作物を育てることもできます。未来は菌類だと言えるかもしれません。」

他の共著者は、デューク大学の Jolanta Miadlikowska、ユニバーシティ カレッジ ダブリンおよびデューク大学の Bernard Ball、ノースカロライナ州立大学の Ignazio Carbone、ミネソタ大学の Georgiana May、サンフランシスコ大学の Naupaka B. Zimmerman、Denis Valle です。フロリダ大学のヴァレリー・トラウエ氏とアリゾナ大学年輪研究室のヴァレリー・トラエ氏。