微生物群集をデザインして植物を強くする ―機械学習でトマト生育を促進する微生物群集を設計・実証―

2026-09-09 東北大学

機械学習を用いて、植物の生育を促進する微生物群集を意図的に設計する手法が開発された。東北大学、京都大学、理化学研究所などの研究グループは、トマト根由来微生物の組み合わせに加え、微生物の遺伝子情報、植物由来成分、栽培温度などを統合して機械学習モデルを構築。モデルから選定した微生物コミュニティが、実験室の高温条件だけでなく屋外の圃場でもトマトの生育を促進することを実証した。さらに、マルチオミクス解析によって、高温耐性や生育促進に関係する植物遺伝子・微生物を特定し、微生物同士と植物との相互作用が効果を生む仕組みの一端を明らかにした。従来の「有用微生物を探索する」方法から、データに基づいて複数微生物の組み合わせを設計する方法へ発展させた点が特徴であり、高温などの環境変動に強い農業や新たな微生物資材の開発への応用が期待される。

微生物群集をデザインして植物を強くする ―機械学習でトマト生育を促進する微生物群集を設計・実証―

図1. 本研究の概要。

<関連情報>

モデルに基づいた微生物群集の設計により、植物の成長とストレス耐性を支える相互作用が明らかになる Model-guided design of defined microbial community reveals interactions underpinning plant growth and stress tolerance

Shinichi Yamazaki,Masaru Nakayasu,Keiko Kanai,Rie Mizuno,Rumi Kaida,Sachiko Masuda,Arisa Shibata,Ken Shirasu,Atsushi J Nagano,Yoshiharu Fujii,…
The ISME Journal  Published:26 August 2026
DOI:https://doi.org/10.1093/ismejo/wrag219

Abstract

Defined microbial communities (DMCs; also known as SynComs) offer a promising strategy to enhance plant growth and stress tolerance by harnessing beneficial plant-associated microbes. However, the rational design and efficient exploration of complex DMC configurations remain challenging. Here, we present an interpretable model-guided framework that integrates plant phenotyping, microbial genomics, and machine learning to optimize DMC outcomes and identify microbial interactions relevant to plant performance. Using tomato as a model, we evaluated diverse DMC, temperature, and metabolite combinations in growth experiment and used a quality-controlled dataset comprising 301 plants representing 102 DMC compositions for predictive modeling. An Elastic Net regression model trained on plant biomass data and DMC composition features enabled prediction of unseen DMC outcomes, and incorporating genomic features substantially improved predictive performance, supporting the importance of functional potential in modeling community effects. We applied the model to prioritize and design improved DMCs, which were validated in laboratory assays and field trials. One model-guided DMC significantly enhanced plant growth in the field and improved heat stress tolerance under controlled conditions. Model interpretation and multi-omics analyses highlighted specific microbial interactions, including metabolite-associated relationships involving Sphingobium sp. and tomatine, that were linked to host stress-responsive gene expression. Together, our results demonstrate a scalable framework for predicting and prioritizing DMCs and identify candidate metabolite-associated microbial interactions that may contribute to plant growth promotion and abiotic stress tolerance.

1202農芸化学
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