害虫から植物を守る新タイプのタンパク質機能を発見

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クワの葉に含まれ、食べた害虫の消化と成長を阻害

2018/07/17 農研機構

ポイント

農研機構は、クワの乳液1)中に含まれるタンパク質が、昆虫の消化管内の囲食膜2)という薄膜を異常に肥厚させて消化を抑制し、成長を阻害することをはじめて明らかにしました。
このようなしくみで昆虫の成長を阻害するタンパク質はこれまで見つかっておらず、新たな害虫防除資材としての活用が期待できます。

概要

植物は動くことができないので、昆虫などの生物に食べられることを防ぐために、”毒”のような作用を示すタンパク質などの物質を生産することが知られています。このような物質は害虫を防除するための薬剤として利用できる可能性があります。旧来の薬剤が効かない害虫も出現しているため、新しい製剤の開発につながる資材として注目されています。

クワの葉はカイコの餌としてよく知られていますが、カイコ以外のほとんどの昆虫はこれを利用することができません。農研機構は、クワ乳液に含まれる特定のタンパク質(MLX56様タンパク質3))が、これまでに報告されたことがない全く新しいメカニズムで害虫の成長を阻害することを発見しました。このタンパク質は、ガ類の幼虫の消化管内に存在する囲食膜という薄膜を異常に肥厚させて消化機能不全を起こすことが分かりました。しかも、0.01-0.04%という極めて低い濃度で餌に加えるだけで、幼虫の成長を顕著に阻害しました。

MLX56様タンパク質は害虫から植物を守る新しい技術開発の資材として有望な候補です。

関連情報

予算:運営費交付金、JSPS科研費(20248007)

お問い合わせ

研究推進責任者
農研機構生物機能利用研究部門 研究部門長 朝岡 潔

研究担当者
農研機構生物機能利用研究部門 昆虫制御研究領域 昆虫植物相互作用ユニット 今野 浩太郎

広報担当者
農研機構生物機能利用研究部門 広報プランナー 高木 英典

詳細情報

開発の社会的背景と研究の経緯

昆虫(害虫)に対し毒性や成長阻害活性を示すタンパク質4)は害虫防除に利用されています。しかし、現在利用されているタンパク質はその種類が限られているうえに、抵抗性を発達させた害虫5)も出現しているため、新たな作用機構をもつタンパク質の発見が求められていました。これまでの農研機構の研究で、クワの葉や葉柄の切り口から滲出する乳液(図1)から極めて低濃度(0.01-0.04%)で昆虫の成長を阻害するMLX56という新規タンパク質が見出されていました。このタンパク質はカイコ以外のガ類(エリサン、ヨトウガ、ハスモンヨトウ、コナガ)などの害虫を含む多くの昆虫の成長を阻害することが分かりましたが、そのメカニズムは不明でした。

そこで農研機構は、MLX56様タンパク質(MLX56およびMLX56同様にクワ乳液に含まれることが後に判明したMLX56と酷似したタンパク質LA-bの総称)がなぜ昆虫の成長を阻害する活性を持つのか、そのメカニズムを解明する研究に取り組みました。

研究の内容・意義
  • エリサンというガの幼虫に、MLX56様タンパク質を含む餌を食べさせると、0.01-0.04%という非常に低濃度で加えた場合でも、顕著に成長が阻害されました(図2)。昆虫の消化管内には、囲食膜というチューブ状の薄い膜が、食物を包むように存在しています。MLX56様タンパク質は、この囲食膜に特異的に結合して肥厚させ、クワの葉を食べたエリサンの消化機能不全を引き起こすことが分かりました。
  • MLX56様タンパク質を含む餌を摂食したエリサンの消化管の横断切片を作り、光学顕微鏡で観察したところ、本来は極めて薄い囲食膜が腸管断面の1/5を越えるほど厚くなることが分かりました(図3)。
  • 囲食膜は主にキチン6)でできています。キチンの合成を阻害する薬剤とMLX56様タンパク質を共にエリサン幼虫に食べさせると、MLX56様タンパク質による囲食膜の肥厚は見られず、エリサン幼虫に対する成長阻害活性も確認されませんでした(表1)。また、クワを消化できるカイコにMLX56様タンパク質を与えた場合にも、囲食膜の肥厚や成長阻害は見られませんでした。このことから、MLX56様タンパク質の作用による囲食膜の肥厚がエリサン幼虫の消化機能を低下させ、その結果としてクワを利用できないエリサンの成長が阻害されると考えられます。
  • MLX56様タンパク質はHevein領域とExtensin領域という特徴的な構造を含みますが、MLX56様タンパク質はそのHevein領域で囲食膜のキチンに結合し、Extensin領域が持つ膨潤効果で囲食膜を顕著に肥厚させることが判明しました(図4)。
  • 囲食膜に結合して肥厚させることで昆虫の消化機能不全を引き起こすという昆虫食害耐性メカニズムは、これまでに報告されたことがない全く新しいタイプのものです。MLX56様タンパク質を利用した新たな害虫防除技術の開発が期待できます。
今後の予定・期待

ヒトを含む脊椎動物の体内にはキチンも囲食膜も存在しないため、MLX56様タンパク質は人や家畜に対する安全性が高いと考えられます。今後は同様の働きを持つタンパク質を植物から探索したり、構造を変化させた人工タンパク質を合成したりすることで、より活性が高い害虫成長抑制剤を開発し、農作物保護に役立てることを目指します。

用語の解説

1)乳液
植物の葉、茎、実などの組織の傷口から滲出してくる白色の液体です。クワ、イチジク、サツマイモ、レタス、タンポポ、パパイアなど多くの植物が分泌します。その役割には諸説がありますが、乳液には昆虫や病原菌に対して毒性をもつ化合物やタンパク質が高濃度で含まれていることが多いため、昆虫や病原菌に対する防御のために分泌されるという説が有力です。

2)囲食膜
昆虫の消化管の内腔に消化管壁に沿って食物を包むように存在する極めて薄い透明な膜です。キチンを主成分とします。その生物的役割は完全に解明されているわけではありませんが、昆虫が食べた植物破片などの硬い物体と消化管内壁の細胞の接触による物理的ダメージや病気の感染を防ぐ役割があるものと考えられています。未消化の植物片やタンパク質、デンプンなどは囲食膜を通過できませんが、消化酵素や消化されたペプチド、アミノ酸、ブドウ糖などの小さい分子は囲食膜を通過して消化管の細胞に届きます。

3)MLX56様タンパク質
クワ乳液中に含まれるMLX56は、クワが自らを昆虫による食害から身を守るために生産する耐虫性タンパク質です。クワ乳液にはMLX56によく似た(95%以上)構造のLA-bという類似タンパク質も同じくらいの量で含まれています。この両者を総称してMLX56様タンパク質と呼びます。昆虫に対する成長阻害活性が高く、0.01-0.04%という低濃度で餌に添加するだけでその成長を顕著に阻害できます。構造も特徴的で、キチンに結合する能力をもつHevein領域という構造と、これまで植物における機能が不明であったExtensin領域と呼ばれる構造を含みます。Extensin構造は本研究で膨潤効果をもつことが判明しました。

4)昆虫(害虫)に対し毒性や成長阻害活性を示すタンパク質
微生物由来のBt毒素や、植物が昆虫の食害から身を守るために保持している消化酵素阻害タンパク質などの防御タンパク質があります。現在は昆虫だけに毒性を示すBt毒素が、農薬や耐虫性品種遺伝子育種に広く用いられています。近年、抵抗性を発達させた(毒が効かない)昆虫の報告が増えており、新たな作用メカニズムで昆虫に毒性や成長阻害活性を示すタンパク質の発見が待たれています。

5)抵抗性を発達させた害虫
害虫を防除するために同じ殺虫剤を使用していると、ごく稀に存在するその薬剤が効きにくい個体だけが生き残ります。このような個体が増加し、やがて大勢を占めるようになると、その害虫には同じ殺虫剤が使えなくなる、という問題が生じます。これが抵抗性と呼ばれる現象です。現在実用化されている殺虫性タンパク質のBt毒素も例外でなく、抵抗性を発達させた害虫が報告されています。Bt毒素抵抗性が害虫集団中に広まるスピードは他の殺虫剤に対する抵抗性に比べて遅いことが知られていますが、長期的にはBt毒素抵抗性の害虫が増えてくることが危惧されています。そのため、新たな作用メカニズムを持つ殺虫性・成長阻害性タンパク質の発見が求められています。

6)キチン
N-アセチルグルコサミンという糖が重合した高分子です。エビやカニなどの甲殻類の殻や昆虫の表皮、カビ、キノコに含まれますが、ヒトを含む脊椎動物の体内には存在しません。昆虫では表皮だけでなく、消化管内の囲食膜や呼吸器官である気管にも含まれています。

発表論文

Konno K, Shimura S., Ueno C., Arakawa T., Nakamura M. (2018) Abnormal swelling of the peritrophic membrane in Eri silkworm gut caused by MLX56 family defense proteins with chitin-binding and extensin domains. Phytochemistry 147:211-219.

参考図表

図1
図1.MLX56様タンパク質を多量に含むクワ乳液
(クワ葉から滲出している白い液滴)

図2
図2.MLX56様タンパク質の成長阻害効果
MLX56様タンパク質を0.04%の低濃度で含む人工飼料を1日食べさせたエリサン幼虫(右シャーレ)は、何も添加していない人工飼料を食べさせた幼虫(左シャーレ)に比べ成長が阻害され、体がひとまわり小さくなりました。また、MLX56様タンパク質入りの餌を食べさせたエリサン幼虫(右シャーレ)では、糞(褐色の小さな顆粒状物体)の排泄量が無添加飼料を食べさせた場合(左シャーレ)の約30%しかなく、消化プロセスが阻害され摂食・消化速度が遅くなっていることがわかりました。

図3
図3.MLX56様タンパク質の摂食により顕著に肥厚した囲食膜
MLX56様タンパク質を含む餌を摂食させたガ(エリサン)の幼虫の消化管の断面写真(右)。矢印の薄紫色の部分が顕著に肥厚した囲食膜です。一方、MLX56様タンパク質を摂食させない対照区(左)では囲食膜はごく薄い膜でした。囲食膜を取り巻く濃い紫の環状の部分は消化管細胞です。

図4
図4.MLX56様タンパク質が囲食膜を肥厚させるメカニズム

表1.キチン合成阻害剤によるMLX56様タンパク質の囲食膜肥厚効果および成長阻害活性の軽減
表1
MLX56様タンパク質は、阻害剤によりキチンの合成が阻害され結合するキチンの足場がない条件下(表中の4.)では、囲食膜を肥厚させることができませんでした。また、囲食膜が肥厚しない場合にはMLX56様タンパク質の成長阻害活性も発揮されませんでした。このことから、MLX56様タンパク質の作用による囲食膜の肥厚が成長阻害活性の要因となっていることがわかりました。

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