ゲーム理論と機械学習で明らかにする植物と微生物のネットワーク

2026-04-21 東京大学

東京大学大学院農学生命科学研究科と理化学研究所などの国際共同研究チームは、植物遺伝子・微生物・代謝物の複雑な相互関係を解明する新しい解析手法を開発した。機械学習(ランダムフォレストやXGBoost)とゲーム理論に基づくSHAPを組み合わせることで、従来の線形モデルでは捉えにくかった非線形かつ多因子の関係を可視化し、各要素の寄与度を定量評価した。ダイズ解析では、乾燥環境下で代謝物や微生物の影響が強まり、通常環境では遺伝子の寄与が大きいことを確認。さらに、特定の代謝物と微生物の組み合わせが植物形質に影響する新たなネットワークも提示した。本手法はマルチオミクス統合解析の高度化に寄与し、作物改良や持続可能農業への応用が期待される。

ゲーム理論と機械学習で明らかにする植物と微生物のネットワーク

植物遺伝子、微生物、代謝物の相互関係

<関連情報>

解釈可能なマルチオミクス機械学習により、干ばつによって引き起こされる植物と微生物の相互作用の変化が明らかになる Interpretable multi-omics machine learning reveals drought-driven shifts in plant-microbe interactions

Hayato Yoshioka,Pavla Debeljak,Soizic Prado,Yushiro Fuji,Yasunori Ichihashi & Hiroyoshi Iwata

BMC Environmental Microbiome  Published:10 April 2026

DOI:https://doi.org/10.1186/s40793-026-00883-x  Unedited version

Abstract

Background

Plant-microbe interactions in the rhizosphere are central to plant growth, nutrient acquisition, and stress resilience. Although multi-omics approaches enable comprehensive profiling of different biological layers, integrating these data to understand the mechanisms underlying plant-microbe symbiosis, particularly under drought stress, remains a challenge.

Results

Genomic, metabolomic, and microbiome data from 198 soybean accessions grown under both control and drought conditions were integrated to identify environment-specific predictive features of the plant phenotypes. We compared best linear unbiased prediction (BLUP), genome-wide association study (GWAS), and a nonlinear machine learning model to evaluate their ability to detect informative features. The machine learning models provided flexible variable selection and outperformed linear models in capturing nonlinear dependencies. Model interpretation using SHapley Additive exPlanations (SHAP) indicated that the isoflavone derivative, daidzin, and the drought-tolerant Candidatus Nitrosocosmicus, were major contributors to phenotypic variation, specifically under drought stress. SHAP-based interaction networks indicated cross-omics links, including connections between daidzin, gamma-aminobutyric acid (GABA), and Paenibacillus.

Conclusion

The proposed interpretable machine learning approach for plant phenotype prediction identified multi-omics biomarkers and interactions, providing insights into plant adaptation to drought stress through environment-dependent rhizosphere networks and symbiotic associations.

1202農芸化学
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました