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根寄生植物の宿主認識に関する研究
誌名誌名 Journal of pesticide science
ISSNISSN 1348589X
巻/号巻/号 353
掲載ページ掲載ページ p. 355-362英文（p. 348-350）
発行年月発行年月 2010年8月
農林水産省 農林水産技術会議事務局筑波産学連携支援センターTsukuba Business-Academia Cooperation Support Center, Agriculture, Forestry and Fisheries Research CouncilSecretariat
111111111111111111111111111111111111111111111111111111
学会賞受賞論文111111111111111111111111111111111111111111111111111111
(業績賞・研究)
日本農薬学会誌 35(3)，355-362 (2010) DOI: 10. 1584/jpestics.WlO-39
根寄生植物の宿主認識に関する研究#
米山弘一*
宇都宮大学雑草科学研究センター
(平成22年 5月21日受理)
Keywords: germination stimu1ant， root parasitic weeds， strigo1actone.
は じ め に
多くの植物は定着性であり，外部環境の変動に伴う生物
的・非生物的ストレスに直接さらされる.そこで植物は，
ストレスに対応するためのさまざまなメカニズムを発達さ
せてきた.また，自らが作り出した化学物質(一次代謝産
物，二次代謝産物)を積極的に環境中に放出することに
よって，外敵を排除・忌避したり，共生者を呼び寄せたり
する.良く知られた例が，植食者によって葉を食害された
植物が，植食者を忌避するために，あるいは捕食者を呼び
寄せるために葉から放出する揮発性情報化学物質 (herbi-
V刊or印巴 inducedpが1a拍ntv刊ola加a幻ti尚1e，H凹f宜IPV) でで、ある 1，2)
れた植物は，エチレン，サリチル酸，ジャスモン酸などの
植物ホルモンや，アミン類を放出し，自身の食害部から離
れた部分や近隣の植物に獲得抵抗性を誘導するの.このよ
うな化学物質を介した植物と同種および他種の生物聞の情
報交換は，地上だけではなく，地下でも行われている4-6)
最近，植物の根のごく周辺(根圏)における化学物質を
介した情報交換が注目を集めている.植物種によっては光
合成で固定した炭素の 20-30%を一次・二次代謝産物とし
て根圏に放出していることからの，それに見合った報酬を得
ているはずである.恐らく植物は，根圏に分泌する化学物
質によって根圏の環境や生物相を自分に有利な方向に導い
ているのであろう.そのような根圏で機能する代表的な植
物の二次代謝産物(根圏情報物質)が，根粒菌の共生に関
わるフラボノイドとアーパスキュラー菌根菌の共生に関わ
るストリゴラクトン (strigo1actone，sL)である.
SLは元々，植物の根に寄生する根寄生植物の種子の発芽
刺激物質として単離された. 4.6億年前に始まった植物と
キ干 321-8505 栃木県宇都宮市峰町 350
E-mail: [email protected] 。PesticideScience Society of Japan
AM菌の共生8)にSLが利用されていることを考慮すると9)
後に進化した根寄生植物は 10) 宿主の根を検出するための
化学シグナルとして SLを「悪用」している.根寄生植物
の宿主認識における SLの役割やその他の生物活性などに
ついては本誌の 34巻 4号にミニレビューとしてまとめられ
ている 11-13) 本稿では，我々のグループが行ってきた，根
寄生植物の宿主認識に関する研究成果を紹介することとし
fこL、14)
1. 根寄生植物
ハマウツボ科の根寄生植物の発芽生理研究は， 日本では，
宇都宮大学名誉教授の竹内安智先生によって開始された15)
先生は，米国ノースカロライナ州立大学の A.D. Worsham
博士の研究室で，根寄生植物Strigaasiatica種子の発芽生里
の研究をされ，植物ホルモンであるブラシノライドが，s.
asiαtica種子の休眠覚醒および発芽に対して促進作用を示す
ことなどを明らかにされた16) 帰国後，圏内に自生する根
寄生植物ヤセウツボ (Orobancheminor Sm.) を材料として
研究を継続された.私が根寄生植物の研究に携わる契機と
なったのは，竹内先生に依頼された発芽刺激物質 strigo1の
合成であった.
根寄生植物の生活環 (Fig.1)は，宿主に寄生する前の独
立栄養ステージ (a-b)と寄生後の従属栄養ステージ (c-e)
とに分けられる 17，18) 根寄生植物の種子は通常休眠してお
り，適当な温度で一定期間保たれると休眠が覚醒する (a).
休眠覚醒した種子は，それだけでは発芽せず，発芽するた
めには宿主の根から分泌される発芽刺激物質が必要である.
発芽した種子は幼根の先端に吸器 (haustorium) を分化し，
宿主の根に侵入して宿主の通導組織と結合する (b). その
後，Strigaでは数週間，Orobancheでは数ヶ月間地下で生育
した後 (c，d)，地上部に現れ，開花・結実する (e). これ
らの根寄生植物は l個体当たり数万から数十万粒という膨
356 米w弘一
Host plant red clover
haustorium
Fig. 1. Lifecycle of the root parasitic plant Orobanche minor. The
dormant seeds become responsive to germination stimulants when
they are kept in warm wet environment for several days. Seed germi制
nation is then elicited by stimulants including strigolactones (a).τhe
seedling attach巴sto the host root and develops a haustorium (b). The
parasite penetrates into host root and connects with the vascular sys-
tem (c). The parasite tubercle grows underground for several months
before emergence of the flowering shoots (d). The parasite produces
a lar・genumber of tiny seeds which remain viable for many years in
soil(e).
大な数の微小な種子(長径が 0.2~0.4 mm の紡銭形)を生
産する.その種子は土壌中で 10年以上生存可能なため，
旦国場に侵入を許すと防除は極めて難しい 17.18) なお，
StrigaとOrobancheはそれぞれ Striga属植物，Orobanche属
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strigol : R = H ¥" sorgolactone strigyl acetate : R = Ac
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日本f災薬学会誌
植物と記述すべきであるが，最近では stngaおよび
orobancheと表記される場合も多い.本稿では Striga，
Orobancheと記述する.
植物由来の発芽刺激物質として少なくとも 3系統の化合
物群が報告されている 19) その中でも SLは， もっとも多種
類の植物が生産・分泌する 20) それは SLが 80%以上の臨
上植物の根に共生するアーパスキュラー菌根菌 CAM留)
の宿主認識シグナルであることへさらに SLは植物地上部
の枝分かれを制御する植物ホルモンであることからすれば
当然である21，22) しかし，我々が根寄生植物の宿主認識に
衡する研究を開始した時点では， このような SLの機能と役
割は知られておらず，植物がその存在を敵である根寄生植
物に知らせるための物質 =SLを生産・分泌する理由は不明
であった. SLは単なる有害な副産物あるいは何らかの他感
作用を示すのであろうと考えられていた.
最初の SLである strigolCFig. 2)は，ワタの根浸出液から
根寄生植物 Strigalutea CS. asiatica)の発芽刺激物質として
取機構造決定された23.24) ワタは Strigaの宿主ではないた
め， strigolは宿主植物が分泌する真の発芽刺激物質ではな
いという意見もあった.驚いたことに，最近の総説にも，
SL以外の物質が宿主植物(ソルガム)の生産する真の発芽
刺激物質であると記述されており 25) 未だに混乱が続いて
いることは残念である.その後，Strigaの宿主であるソルガ
ムやトウモロコシ26) そして非宿主植物のコウモリカズラ
の無菌培養根が strigolを生産していることから27)，SLが植
物由来の発芽刺激物質であり，綴寄生植物の宿主および非
司、?OHム。 ν ム o
l 1__)片、 llL)川、γ~O;;"r> O"'~O rヘ OR -...，.--ヘ| 同o ;=0 日"'-/日〉、ノ
alectrol (proposed) orobanchol : R = H orobanchyl acetate : RロAc
OH
MeO 『と 『とと
OH /./
OH
dihydrosorgoleone
Fig. 2. Structures of natural strigolactones， synthetic analog GR24， and dihydrosorgoleon巴
Vol. 35， No.3， 355-362 (2010)
宿主植物の両方が生産・分泌することが明らかとなった.
我々はヤセウツボの宿主であるアカクローパーが生産す
る発芽刺激物質を探索し，アカクローパーは少なくとも 3
種類の発芽刺激物質を生産することを明らかにしたおそ
のうち 2種類を単離しつはササゲから単離されていた
a1ec仕01と同定した Ca1e附 01の構造決定については後述す
る).他方は strigo1の異性体であり， orobancho1と名付け
た.その構造は，合成化合物との各種スペクトルデータの
比較から決定された29) Orobancho1はOrobancheの発芽刺
激物質として最初に単離された SLである.すなわち，根寄
生植物の StrigaとOrobancheの両方が SLを発芽刺激物質と
して利用していることが明らかとなった.
アカクローパーの生産するヤセウツボ種子発芽刺激物質
の構造解析では，ショートキャピラリーカラム C~5m) を
装着したガスクロマトグラフ質量分析計 CGC-MS)を初め
て SL分析に使用した28) しかし， GC-MS分析では，サン
プルをある程度精製する必要があるため， SL探索研究の効
率的な推進には，簡便で高感度な SL分析法の開発が不可
欠であった.
2. 高速液体クロマ卜グラフータンデム型質量分析計
によるストリゴラク卜ンの高感度分析
植物の根から分泌される SLは極微量であり， しかも化
学的に不安定であるため， SLの単離構造解析は困難であ
る. Yasudaらによれば，コウモリカズラの培養液から回収
された strigo1は2%程度であった27) 高速液体クロマトグ
ラフィー CHPLC) によって個々の SLを分離することはで
きるが，粗抽出物を用いた場合， uv検出器では爽雑物に
よって SLのピークは確認できない.そこで， 1990年代後
半になって急速に普及し始めた大気圧イオン化源を装備し
たタンデム型質量分析計を用いて SL分析法を検討するこ
ととした.我々の研究センターに高速液体クロマトグラフ
ータンデム型質量分析計 CLC-MS瓜tfS) が導入されたのは
1999年であり，実際に strigo1の分析を開始したのは 2000
年の春であった.幸いにも当時，自分で合成した strigolと
森謙治先生から頂いた orobancholを含む合成類縁体を持っ
ていたので，それらについて分析を行った.その結果， Mi-
cromass社製(現在は Waters)のLC-MS/MSでは， SLはエ
レクトロスプレーイオン化 CESI) によって効率良くナトリ
ウム付加イオン C[M+Nat)を与えること，アルゴンガス
による衝突誘導解離 Ccol1isioninduced dissoCiation， CID) に
よって D環部分の脱離したイオン C[M+Na-97]つを与え
ることが分かった30) また，溶媒はメタノール 水の方が
アセトニトリルに比べて若干イオン強度が高かった.溶出
液に酸を添加したりカラムを通してもナトリウムが外れな
かったため，その後の分析ではナトリウム付加イオンを親
イオンに設定し， D環の脱離したイオンとの組み合わせで
学会賞受賞論文 357
MRM Cmultip1e reaction monitoring) を行った.その結果，
O.lpgレベルの strigo1を検出できることが分かった.そこ
で，アカクローパーの水耕液を酢酸エチル抽出し，酸性物
質を除去した粗抽出物を分析してみたところ，m/z 369>272
のチャンネルに orobancho1とa1ectro1の2本のピークが検出
された. ESI閏 MSでは，マトリクス効果によってイオン化効
率が変動することは良く知られているが，組抽出物に
orobancho1の合成標品を加えてピークエリアの増分を調べ
た結果，マトリクスを含まない標準溶液に比較すると 12%
程度のピークエリアしか与えないことが分かった. SLに
よって検出感度は若干異なっており， orobancho1の検出感
度は strigo1の1/10程度であった30)
このようにしてそれまで粗抽出物からは検出できなかっ
た SLを簡単に分析することができるようになったことか
ら30，31)，各種植物の根浸出液に含まれる SLの探索研究を開
始した32)
SLに共通な構造である D環に由来する 97Daの中性分子
がCIDで脱離することを利用して，ニュートラルロス法に
よって SLを探索することも可能でーあるが33) 量的に多い
SLしか検出できないことと，検出感度が MRM法の
1/500~ 1/1 00程度であることから，ニュートラルロス法は微
量成分の検出あるいは探索には向かない. LC-MS/MSと比
較すると GC-MS の SL 検出感度は 1/1000~1 /1 00 程度であ
り， SLの中では sorgomo1の検出感度が低い.
3. 新規ストリゴラクトンの探索研究
各種植物の根浸出液に含まれる SLの探索には， LC-
MS/MSとヤセウツボ種子による発芽刺激活性検定を併用し
た. LC-MS爪tfSでは，予想される SLのナトリウム付加イオ
ンと D環の脱離したイオンの組み合わせで MRMチャンネ
ルを複数設定して分析した.また， LC-MS/MSと同じ条件
のHPLCで 1分あるいは 30秒間隔で分取したフラクション
のヤセウツボ種子に対する発芽刺激活性を検定することに
より， LC-MS/MSで検出されたピークが SL由来のものかど
うかを判断した. この時，粗抽出物を 1000 倍~100，000 倍
に希釈して発芽試験を行い， HPLC分取に適当な希釈率を
決定した.希釈しすぎると主要な活性すら確認できない場
合があるが，逆に濃すぎると活性が多くのフラクションに
分散してしまう.なお， MRMのチャンネルごとにそれぞれ
検出感度は設定できるので，例えば別のチャンネルに検出
される SLについてはその存在量に 100倍以上の差があって
もLC品目品目では検出されるが，発芽試験では，主要な活
性フラクション(すなわち主要な sL)が検出されることに
なる.また，発芽試験は， LC-MS/MSに比較すると 100
倍~1000 倍高感度であり， LC-MS瓜tfSで SLのピークが検
出されなくても発芽試験では検出できる場合が多い.一般
に，粗抽出物の1/10，000で発芽刺激活性が確認できれば，
358 米山弘一
LC-MS/MSで主要な SLの同定と擬似的な定量が可能であ
る.
このような研究手法によって，タバコの根浸出液から構
造的にユニークな 2種類の SL，すなわち，天然 SLとして
は初めての 2'-エピ体である 2'同 epiorobancho1，ベンゼン環を
持つ solanaco1の単離構造決定に成功した34) なお， solana-
co1の構造は神戸大学の滝川先生らによって訂正された35)
その後現在までに 8種類の SLの単離構造決定を行った
がル39) その中から a1ec仕01とfabacy1acetateの構造決定の
概略を紹介する.
1) Alectrolの構造決定36)
A1ectro1はMullerらによってササゲの水耕液から Alectra
および Strigagesnerioidesの発芽刺激物質として単離構造決
定された40) なお， S. gesnerioidesは，他の Striga属根寄生
雑草が単子葉植物に寄生するのに対して，唯一，双子葉の
マメ科植物(特にササゲ)に寄生し，光合成活性をほとん
ど示さないため，全寄生性植物に分類されている 18) Muller
らが提出した a1ectro1の推定構造は，森先生らによって合成
化合物とのスペクトルデータの比較から否定され41)その
構造は不明であったが， strigo1の異性体であると考えられ
ていた.
我々もアカクローパーの根浸出液から a1ectro1を単離して
いたが， LC-MS/MS分析では orobancho1を検出するチャン
ネルで a1即位01を検出できたことから30) 最初は orobancho1
の異性体であると考えていた.オランダの Harro
Bouwmeester博士から入手したササゲ (a1ectro1を生産する
ことが確認されていた)を水耕し，分析したところ，
orobancho1のピークしか検出されず，栽培方法や生育ステー
ジによって分泌される SLが異なっているのであろうと考え
ていた.一方，アマの水耕液に orobanchy1acetateと思われ
る新 SLが存在していることが分かったが， strigo1と紺igy1
acetateがワタの根浸出液から単離されたように， orobancho1
を生産する植物はその酢酸エステルである orobanchy1acetate
を生産するのは当然であると考え，暫くそのまま放置して
L 、Tこ.その頃， Bouwmeester博士から， a1ectro1の構造を生合成
経路から考察しようという申し出があった42) そこで，ア
カクローパーから再度 a1ectro1を単離し， NMRを測定した
結果， a1ectro1は実はアマの水耕液に存在する orobanchy1ac-
etateであることがわかった.構造は orobancho1をアセチル
化して得られた orobanchy1acetateとの比較によって確定し
た.なお， orobanchy1 acetateが抽出，精製過程で生じた副
生物でないことを確認するため，水耕液をそのまま LC・
MS爪ilS分析し， orobanchy1 acetateのピークを確認した.ほ
ぼ同時期に北海道大学の松浦先生らのグループも orobanchy1
acetateの単離構造決定に成功している43)
日本農薬学会誌
2) Fabacy1 acetateの構造決定37)
我々は 10年程前に，エンドウが少なくとも 2種類の新規
SLを生産することを確認していた.そこで新たにエンドウ
を水耕し，水耕液から SLの単離を試みた.その結果，既
知の SLである orobancho1，orobanchy1 acetate， 5-deoxystrigo1
と，新規 SLを単離した.新規 SLは，その ESI-MSから，
分子内にエポキシドを含むと考えられた.この SLは結晶と
して約 17mg単離できたので， NMRによる詳細な構造解析
に加えて，単結晶 X線構造解析によって相対的立体構造を
決定した.意外なことに， X線構造解析によって得られた
立体構造では， 4位のアセチルオキシ基と 4a，8a・エポキシド
がB環平面に対して同じ側であり，アセチルオキシ基が
orobanchy1 acetateと同じ α配位だとすると 2'-エピ体とい
うことになる.タバコが 2'-epiorobancho1 を生産することか
ら，エンドウも 2'-エピ体を生産していたとしても不思議で
はないが，この時点では，天然物がどちらの立体構造なの
かは決定できなかった.そこで，森先生にお願いして(+)-
orobancho1と(+)-2'・epiorobancho1を分けて頂き，エポキシ
化後，アセチル化して得られる 4種の立体異性体と天然
fabacy1 acetateとを比較した.その結果， (+)・2'-epioroban-
cho1から誘導された立体異性体 (4a，8a-巴poxy-2'-epト
orobanchy1 acetate) とfabacy1acetateのNMRデータおよび
LC-MS瓜ilS，GC-MSにおける保持時聞が完全に一致した.
ただし， CDスペクトルは完全に逆のコットン効果を与えた
ことから， fabacy1 acet耳teは天然物としては初めてのエント
体 SLであることがわかった.
その後の研究から， fabacy1 acetateは数種類の植物の水耕
液から検出されており，植物界に広く分布している可能性
が高い.その生合成前駆体と想定される ent-2'-epiorobancho1
あるいは ent司 2'司 epiふ deoxys仕igo1がエンドウを含むマメ科植
物からも検出されていないので，これらの前駆体から faba-
cy1 acetateまでの変換は速やかに進むのであろう.
以上のように，植物は多種多様な SLを生産することが
わかった.植物種によってあるいは同種の植物でも品種に
よって，根から分泌される SL混合物を構成する主要な SL
の種類と量は異なっている.このような SLの質的，量的な
違いが，根寄生植物の宿主特異性に関わっているものと考
えている 14)
最近数年間に 10種類以上の新規 SLが単離構造決定され
ている.最初は量的に多く，比較的安定な SLが単離され
たが，最近では非常に微量でかっ不安定な SLの存在も確
認できるようになった. SLの検出限界は SLの種類によっ
て異なるが，ショートカラム GC・MSの場合で， ~lng 程
度， LC-MS/MS では~lpg 程度である. NMRによる構造解
析では少なくとも 10μg以上のサンプルが必要であり，微
量で不安定な(活性本体かも知れない?)SLの構造解析に
Vol. 35， No.3， 355-362 (2010)
は，合成化学者の協力が不可欠である.
4. ストリゴラク卜ン生産・分泌に対する
植物栄養分の影響
根寄生雑草は痩せた土地を好んで発生し，施肥によって
根寄生雑草による被害を軽減することができる叫.また，
リン酸欠乏状態で栽培した植物の根浸出液は， リン酸を十
分に与えて栽培した植物の根浸出液に比較してはるかに強
力な AM菌菌糸分岐誘導活性を示すことなどから45) 植物
栄養分が SLの生産・分泌に影響を与える可能性が指摘さ
れていた.実際に，アカクローパーの水耕液のヤセウツボ
に対する発芽刺激活性は，水耕液へのリン酸添加によって
顕著に低下した46) しかしこの発芽活性試験だけでは，水
耕液の発芽刺激活性の低下が， SLの量的あるいは質的変化
の結果なのか，または，発芽阻害物質の分泌量が増加した
結果なのかを区別できない.そこで，アカクローパーを N，
P，K，Ca，Mgをそれぞれ 1120に低下させた培地で水耕し，分
泌される robancholをLC-MS/MSで定量した.その結果， P
欠乏区でのみ orobancholの分泌量が劇的に増加した.水耕
液の P含量をさらに低下させると orobancholの分泌量が上
昇し， Pを含まない培地で最大となった47) また，同様の
検討をイネ科植物のソルガムで行った結果，ソルガムでは
P欠乏に加えて N欠乏でも，ソルガムの代表的な SLであ
る5-deoxystrigolの生産量が増大することがわかった48) こ
れらの結果は，イネ科植物などではリン酸だけではなく窒
素分の供給も AM菌との共生に依存していることを示して
いる.栄養欠乏状態になると AM菌との共生を促進するた
めに SLの生産・分泌が促進される.一方，根粒菌と共生
するマメ科植物では， リン酸の供給は A M菌に依存してい
るので， P欠乏でのみ SLの生産・分泌が促進される.ま
た， AM菌の宿主とはならないホワイトルーピン(マメ科
であるがプロテイオイド根を形成し， AM菌とは共生しな
L 、)，ホウレンソウ(アカザ科)，シロイヌナズナ(アブラ
ナ科)などでは，このような栄養条件の影響は受けない49)
なお， トマトは N欠乏の影響を受けず， P欠乏でのみ SLの
生産・分泌が促進される50)
5. 根寄生植物の宿主認識と防除への展望
植物の根から根圏に放出された SLは， AM菌と根寄生植
物の両方の宿主認識物質として，植物体内では，地上部の
枝分かれを抑制する植物ホルモンとして機能している 51)
陸上植物の中で進化的にもっとも基部で分岐したコケ植物
であるヒメツリガネゴケが SLを生産していることから52)
SLは，その 3種類の機能の内，植物ホルモンとして最初に
利用されたのであろう. しかしコケ植物における SLの作用
の詳細は未だに不明である.
根寄生植物S的gaとOrobanche(Phelipanche)による農業
学会賞受賞論文 359
生産への被害を回避するために，耐性品種の選抜と育種が
長年にわたって行われている. S. hermonthiaの宿主である
ソルガムでは，パデュ一大学の Ejeta博士らによって耐性品
種の選抜が精力的に行われてきた.乾燥耐性および Striga
耐性を兼ね備えたソルガム品種の開発によって， Ejeta博士
は2009年度の Wor1dFood Prizeを授与されている.
根寄生植物耐性のもっともわかりやすいメカニズムは，
SL生産の抑制である. SL生産量を低下させれば Striga種
子の発芽を抑えることができる. Hessらは，多数のソルガ
ム品種から Striga種子を用いた発芽試験によって発芽刺激
活性の低い品種を選抜した53) 具体的には内径 9cmの
シャーレに Strigaの種子を入れ，固まる寸前までに冷した
0.7%寒天培地を流し込んで種子を均一に分散させる.寒天
培地の周辺部の近くに発芽させたソルガムの種子の幼根が
シャーレの中心に向かつて伸びるように埋め込み， 3日間
暗黒下で培養後，発芽した Striga種子からソルガムの根ま
での距離を測る.発芽刺激物質の生産量が少なければソル
ガムの根から離れた種子は発芽しないことになる.このよ
うにして選抜された品種 SRN39は，圃場レベルでも Striga
耐性を示した.
前述したように，ソルガムの分泌する真の発芽刺激物質
はdihydrosorgoleone(xenognosin) であるという説もあった
が， Hessらも， SLが発芽刺激物質としてはより重要である
と結論している53) しかし， SRN39はSL生産量が低いた
めに Striglαの発芽を誘導しないのか，あるいは阻害物質を
同時に生産するためなのかは不明であった.そこで， SRN39
と比較のために Striga感受性品種である Tabatについて，生
産・分泌される SLを分析した.なお，それぞれの品種を水
耕し，水耕液に分泌される発芽刺激物質を酢酸エチル抽出
してS.hermonthicaおよびヤセウツボ種子に対して発芽刺激
活性を調べてみると，品種間で発芽刺激活性の差はなかっ
fこ14)
LC-MSIMS分析の結果，ソルガム 2品種の主要な SLは
sorgomol， sorgolactone， 5-deoxys仕igolであった.このうち
sorgomolは恐らく s仕igolあるいは orobancholも生産されて
いるためにピークが重なってしまい正確な定量が困難であっ
た.そこで， sorgolactoneと5・deoxys仕igolについて定量(内
部標準物質を用いた定量ではなL、)した結果， sorgolactone
の分泌量は 2品種でほとんど差がなかったのに対して，耐
性品種の SNR39では， 5・deoxystrigolの分泌量が顕著に減少
していたC1I40以下).すなわち，比較的不安定な sorgomol
は，ろ紙上で発芽活性を検定するシャーレ試験では強L、発
芽活性を示すが，寒天培地中では分解してしまうため，活
性を示す濃度で拡散可能な範囲は 5-deoxys仕igolに比べると
限られていると考えられる. Hessらの実験では， 5・deoxys司
仕igolの分泌量の違いがStrigaに対する発芽刺激活性の違い
として現れたのであろう. Hessらの実験結果が圃場レベル
360 米山弘一
での Striga耐性に良く対応していることから，圃場におけ
るStriga種子の発芽誘導には， 5-deoxystrigolなどの比較的
安定な SLの関与がより重要であると考えられる.
発芽刺激物質の分泌量の低下はソルガムの Striga耐性の
lつのメカニズムであり，他の耐性メカニズムとは独立に
機能しうることが示されている. しかし， SLがAM共生に
も不可欠であることから， SL分泌量の少ない Striga耐性品
種は， AM共生がうまく行かず，土壌からの養分吸収能力
が低下してしまう可能性が高い.そこで，実際の圃場条件
下でStriga耐性および感受性ソルガムが，どのような SL混
合物を分泌しているのか興味深い.
Orobancheの宿主である双子葉植物では，甚大な被害を
受ける作物があるものの主食ではないため， ヒマワリを除
いて，耐性品種の選抜はそれほど積極的に行われてはいな
い.ジャガイモにも寄生するが，今のところその被害は大
きくない. ヒマワリでは， ヒマワリに特異的に寄生する0.
cumanaに対する耐性品種の選抜が行われてきた. しかし，
耐性品種を栽培し始めてしばらくすると耐性品種に寄生す
る変種が現れるというイタチごっこを繰り返している 18)
最近，Orobancheに寄生されないトマト変異株が報告さ
れているが，その変異株は SL生合成に欠損がある54) ソル
ガムの Striga耐性品種のように，土壌中で比較的安定な SL
の分泌量と Orobanche耐性との関連性は不明であるが，双
子葉植物が分泌する主要な SLはorobanchylacetateやfaba-
cyl acetateなど， AB環に酸素を含む置換基を持っており，
5-deoxystrigolほど安定ではないと思われる.さらに
Orobanche類の種子は，標準的なシャーレ発芽試験では， 5-
deoxystrigolやsorgolactoneなどの比較的疎水性の高い SLに
対する感受性が低いので 55) 圃場条件でも， AB環に酸素
を含む置換基を持つ orobanchylacetateなどの SLが発芽を
誘導しているのかも知れない.
前述したように，植物は複数の SLを同時に分泌してい
る.その組成は，同種の植物でも品種間で異なっている.
また，同じ植物でも個々の SLの割合あるいは分泌量は，生
育ステージや生育条件で変動する.
根寄生植物や A M菌が寄生あるいは共生する場合には，
SLを活発に生産し分泌している若い根を選んだ方が良いは
ずで，若い根が生産し分泌する SLを分析することは重要
である.残念ながら無傷植物体を使った検討は困難である
が，培養根あるいは毛状根を使えば，その植物の生産・分
泌する SLプロファイルを調べることが可能である. しか
し，圃場条件下での SL分泌プロファイルとは異なっている
可能性も否定できない.
Orobanche類の原産地である地中海沿岸区諸国から東欧
諸国にかけて，農耕地雑草ではない Orobanche類が多数生
息している.これらの種の多くは宿主特異性が高く，特定
の宿主植物に寄生する.そこで数種類の宿主植物について
日本農薬学会誌
その根浸出液中に含まれる SLを分析した結果，主要な SL
はすべて共通であった56) もちろん，発芽刺激物質だけが
宿主認識に関わっているわけではないが，特定の根寄生植
物の種子は，その宿主植物の根浸出液で処理した場合に
もっとも高い発芽率を示した.
類似の現象はヒマワリに特異的に寄生する αcumanaに
も認められた.α cumanαの種子はヒマワリの根浸出液には
敏感に反応したが， SL生産量の多いマメ科植物の根浸出液
では全く発芽しなかった.興味深いことに， 0. cumanaの種
子はマメ科植物が分泌する SLをそれぞれ単独で与えると発
芽するが， 2種類以上を混合して与えると全く発芽しない
(M. Fernandez-Aparicio私信).このような複数の SLの混合
による括抗的な効果や逆に相乗的な効果が，根寄生植物の
宿主認識に関与している可能性が高い.これは，限られた
種類の SLを利用した巧妙な宿主認識メカニズムである.な
お， AM菌の共生は植物種を選ばないので(陸上植物の
80%と共生する)， AM菌の宿主認識には，植物の根から分
泌される SL混合物の組成は影響しないと考えられる.
お わ り に
SLと根寄生植物の宿主認識との関連性には未だに不明の
点が多い.植物が多種多様な SLを生産する理由も謎であ
る.最近， SLの新しい機能についての論文が次々に発表さ
れている.その多くは合成 SLのGR24を高濃度で投与した
実験から得られた結果であり，二次的な影響や副作用とも
考えられる. しかし，コケ植物，草本類，樹木を含む多様
な植物が SLを分泌していることから， SLはAM菌との相
互作用だけではなく，他の微生物，植物との化学交信に関
わっている可能性が高い.また， SL以外の植物ホルモンや
二次代謝産物が根圏に分泌されており， SLとそれらの物質
との相互作用も考慮すべきであろう.
圏内に自生する根寄生植物ヤセウツボは関東地方を中心
にその生息範囲を広げている.地上に花茎が現れるのはせ
いせ、い 1ヶ月間であり，多くの場合見過ごされるが，道路
沿い，河川の土手，緑地帯などに密生している姿は異様で
ある.今のところ諸外国で農業生産に大きな被害を与えて
いる種は圏内では確認されていないが，今後，国内で問題
となる可能性も否定できない.また， 日本各地で茎寄生植
物のネナシカズラの汚染が進んでいる.これらの寄生植物
は外来種であり，まずは侵入を防ぐ之とと，侵入した種に
対しては効率的な防除法を適用して，被害が拡大する前に
対処する必要がある.一旦定着してしまうと，欧米の農業
先進国でも，寄生植物の被害は甚大である57)
このような根寄生植物を始めとする寄生植物の生態，生
理，被害の実態と防除法などについては， International So-
ciety for Parasitic Plantsのホームページを参照下されたい
(htや://www.parasiticplants.org/).次回の会議 (11thWorld
Vol. 35， No.3， 355-362 (2010)
Congress on Parasitic Plants) は 2011年 6月7日-12日にイ
タリアで開催される.
謝 辞
本研究は宇都宮大学雑草科学研究センター(野生植物科
学研究センター)において，圏内外の多くの方々との共同
研究によって行われたものです.宇都宮大学名誉教授の故
竹松哲夫先生は，早くから根寄生植物の重要性を指摘され，
温かい励ましの言葉を頂きました.宇都宮大学名誉教授の
竹内安智先生には，本研究に取り組む機会を与えて頂き，
ご指導ご鞭撞を頂きました.東京大学名誉教授の森 謙治
先生には貴重なサンプルと暖かし、励ましと重要なご助言を
頂きました.帝京大学教授の横田孝雄先生には，本研究を
進めるに当たって惜しみないご協力を頂きました.神戸大
学教授・杉本幸裕先生，大阪大学・岡津敦司先生，大阪府
立大学准教授・秋山康紀先生，理化学研究所植物科学セン
ター・山口信次郎先生，東京大学准教授・経塚淳子先生，
東京大学教授・浅見忠男先生，神戸大学准教授・滝川浩郷
先生，宇都宮大学教授・関本均先生には，共同研究を通
して大変お世話になりました.また，根寄生植物の生理生
態、に関してご教授頂いた D.M. Joel教授 CAgriculturalRe-
search Organization， Israel)をI台めとして， y. Goldwassar↑専
士 CHebrew University， Israel)， Harro Bouwmeester教授
CWageningen Univ巴rsity，The Netherlands) らを含む海外の根
寄生植物研究者との共同研究から多くを学ばせて頂きまし
たことを感謝致します.なお，ストリゴラクトンの LC・
MSIMS分析法は佐藤大祐博士の，ストリゴラクトンの構造
解析は謝 肖男博士の，植物栄養分のストリゴラクトン生
産への影響の解析は米山香織博士の研究成果で、あることを
記して深く感謝致します.また，宇都宮大学雑草科学研究
センターに在籍し，本研究に携わった多くの学生諸君に深
く感謝致します.本研究の一部は，宇都宮大学重点研究，
科学研究費補助金およびイノベーション創出基礎的研究推
進事業の補助を得て行L、ました.
最後に，終始暖かい励ましと， sorgomolおよび solanacol
の命名に際して貴重なご助言を頂いた故 DonaldMoreland博
士に深く感謝し，ご冥福をお祈り致します.
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(for prominent achievement)
J. Pestic. Sci.， 35(3)， 348-350 (2010) DOI: 10.l584/jpestics.J1O心l
Studies on the Host Recognition Mechanism of Root Parasitic Plants
Koichi YONEYAMA申
ff告edScience Center， Utsunomiya University， 350 Mine-machi， Utsunomiya 321-8505， Japan
(Accepted May 21，2010)
Among parasitic angiosperms， witchw巴eds(Striga spp.) and broomrapes (Orobanche and Phelipanche spp.) are
the two most devastating root parasitic plants， causing enormous crop losses around the world. These root para-
sites have evolved special strategies to ensure their survival; the seeds germinate only when they are within the
host rhizosphere so that after germination the seedlings can reach and parasitize the host roots. To locate host
roots， root parasites exploit strigolactones (SLs)， host-derived chemical signals that are released by host plants for symbiotic arbuscular mycorrhizal (AM)おngi.In addition to these functions as rhizosphere signaling mole司
cules， SLs act as a class of plant hormones regulating shoot branching. Using high performanc巴 liquidchro・
matography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS)， SLs in root exudates企omvarious plants have been char幽
acterized. During studies， in addition to the known SLs， more than 10 novel SLs have been isolated and their structures determined. Plants produce and exude mixtures of SLs， and nutrient availability affects SL production
and exudation. These results suggest that quantitative and qualitative differences in SL production and/or exuda-
tion are important in host recognition ofroot parasitic plants. (C) Pesticide Science Society of Japan
Keywords: Germination stimulant， root parasitic plant，耐igolactone.
Introduction
Plants release various chemicals to avoid and repel their
enemies， including herbivores， pathogenic microbes， and ne-matodes， and at回 ctbenefici斜 面ends，such as carnivores of
herbivores， symbiotic microbes， and so on. In some cases， plants release 20-30% of carbons assimilated by photosynthe-
sis to the rhizosphere. This implies that relatively large
amounts of plant-derived chemicals are continuously released
into the rhizosphere and influence biota; presumably render-
ing them favorable to the plant producing the chemicals.
Since some of the chemicals are produced only in very small
amounts and decompose rapidly in the rhizosphere due to
their instability， their contribution to the communication
between plants and other organisms has not been revealed;
therefore， there may be many key chemical players yet to be identified in communications between plants and other organ-
lsms.
* See part II for the full J apanese artic1e. * To whom correspondence should be addressed E-mail: [email protected]・u.ac.jpPublished online August 7， 2010 。PesticideScience Society of Japan
S仕igolactones(SLs) are typical examples of such rhizos-
phere signaling molecules血atare involved in plant-parasitic
and plant-microbe interactions. In addition to their roles in
the rhizosphere， SLs act as a novel class of plant hormones
inhibiting shoot branching.
In this paper， the development of an analytical method for
SLs， isolation and structural determination of novel SLs， and the effects ofplant nu仕ientson SL production are described.
1. Root Parasitic Plants
Approximately 1 % of angiosperms (3000-4500 spp.) are par-
asitic plants that depend on their host plants for survival.
Among these parasitic plants， Striga and Orobanche (syn.
PheliJロαnche)spp. in the family Orobanchaceae are the two
most devastating root parasites causing enormous crop losses
around the world. Striga spp. are hemiparasites and attack im-
portant Poaceae food crops， including sorghum， maize， sugar-cane and rice. Orobanche spp. are achlorophyllous holopara-
sites attacking dicots， including tomato， tobacco， carrot， po・tato， and legumes.
The seeds of these root parasites have special requirements
for germination. To germinate， the seeds need to be kept in a
warm wet environment for several days and then exposed to
chemical stimuli， germination stimulants， released企omplant
Vol. 35， No.3， 348-350 (2010)
roots. Among the known germination stimulants， SLs have been shown to be distributed widely in the plant kingdom
because they are indispensable chemical signals for root colo-
nization by symbiotic arbuscular mycorrhizal (AM) fungi，
with which more than 80% of land plants form a symbiotic
relationship; therefore， root parasitic plants exploit SLs
released for AM fungi.
2. Development of Analytical Method for
Strigolactones Using LC・MS/MS
SLs can be analyzed by gas chromatography-mass spec仕om-
e仕Y(GC-MS) after several purification steps during which
partial decomposition of unstable SLs seems to occur; there-
fore， a rapid and simple analytical method for SLs by high
performance liquid chromatography connected to tandem
mass spectrometry (LC・MS/MS)has been developed， because
LC-MS/MS has been used extensively to analyze thermola-
bile and unstable compounds， inc1uding peptides and proteins.
In particular， selective detection by means of multiple reac-
tion monitoring (MRM) can be applied for the analysis of
trace amounts of compounds in crude samples.
In the full-scan positive mass spectra of SLs， the sodium
adduct ions ([M+Nat) were most abundant， whereas the
intensities of protonated molecular ions were rather weak. On
collision-induced dissociation (CID)， these sodium adduct
ions afforded [M + Na-97]十 ionsas a result of neutralloss of
the D-ring moiety. Therefore， for MRM， e.g.， transition m/z
369>272 was selected for strigol and its isomers and transi-
tion m/z 353>256 for 5・deoxystrigol.Using this method， nat-
ural SLs in ethyl acetate extracts of plant root exudates can be
detected and semi-quantified. In some cases， SLs released
into growth medium could be analyzed by injecting an aliquot
of the medium into the LC-MS/MS system; therefore， the
development of this analytical method enabled us to screen
known and novel SLs in root exudates from various plants. In
general， the detection limit 0ぱfSLs i泊nLC-MS瓜4侶Siおsless than
1 pg， while 1 ng may be n即e巴吋de吋dforGC
3. Structure Determination ofNovel Strigolactones
Characterization of known SLs in root exudates from various
plants have been conducted by LC-MS/MS analysis and by
comparing retention times of active compounds in reverse-
phased HPLC with those of synthetic and natural SL stan-
dards. Active fractions with retention times different from
those of known SLs were purified and their structures deter-
mined.
Alectrol was first isolated 企om cowpea (Vigna
unguiculata) root exudate as a germination stimulant for
Alectra vogelii， another root parasite， and Striga gesnerioides，
a unique Striga that parasitizes dicots， and was thought to be
an isomer of strigol as it gave an ion at m/z 346 in electron
impact ionization mass spectrometry (EI・MS).The structure
originally propose
Studies on the Host Recognition Mechanism ofRoot Parasitic Plants 349
pound; therefore， the structure of alectrol remained to be de-
termined. For structural determination，‘alectrol' was again
purified from red c10ver root exudates and subjected to exten-
sive spec仕oscopicanalyses. Consequently，‘alectrol' was
identified as orobanchyl acetate， not an isomer of s仕igol.In
ESI-MS，‘alectrol' gave [M + Ht ion at m/z 389 along with the sodium adduct ion at m/z 411. It is interesting that‘alec・trol' or orobanchyl acetate also gave a fragment ion at m/z
369， [M + Na-COCH2t， which was incorrectly assigned to
be the sodium adduct ion [M+Nat. The identity of ‘alectrol'
was finally confirmed by direct spectroscopic comparison
with orobanchyl acetate prepared from orobanchol.
A novel SL was detected in root exudates of garden pea
(Pisum sativum) and other fabaceous plants. High resolution
ESI-TOF mass spec仕umof the novel SL demonstrated its
molecular formula of C21H2Ps' In ESI-MSIMS， it afforded
the sodium adduct ion at m/z 427 [M + Nat which was con開
verted with loss of acetic acid by CID to the ion at m/z 367
[M+Na-CH3COOHt and further loss of the D ring to m/z
270 [M+Na-CH3COOH-97t. These data suggested that
this SL had a structure similar to orobanchyl acetate but with
an extra oxygen atom. lD and 2D NMR spectroscopic analy-
ses revealed that this SL was 4a，8a-epoxyorobanchyl acetate and it was named fabacyl acetate. X-ray diffraction analysis
of fabacyl acetate indicated that the epoxide and acetyloxyl
groups were oriented on the same side of the plane of ring B， and if it contained a 4α開 acetyloxylgroup as in orobanchyl ac-
etate， it was a 2'-epi isomer. Therefore， the absolute stereo胴
chemis仕yof fabacyl acetate was determined by comparing
spectroscopic data of four stereoisomers prepared from (+)-
orobanchol and (+)ー2'-epiorobanchol.One of the stereoiso-
mers prepared from (+ )-2'-epiorobanchol had retention times
identical to those of fabacyl acetate in LC-MS and GC-MS
analyses， and its lH NMR spectrum was identical to that of
fabacyl acetate. The stereoisomer showed a positive circular
dichroism (CD)， while fabacyl acetate had a negative CD， in-
dicating that fabacyl acetate was the enantiomer of the
stereoisomer prepared企om(+)-2'開 epiorobanchol.Accord-
ingly， fabacyl acetate was determined as ent-2'-epi・4a，8a聞
epoxyorobanchyl acetate， the first natural ent-SL.
So far， more than 14 SLs have been isolated， mainly as ger-
mination stimulants for root parasitic plants， b
4. Effects of Nutrient Availability on Strigolactone
Production
Environmental factors， inc1uding temperature， humidity， pho-
toperiod， and nutrient availability， have been shown to affect the production and/or exudation of SLs企omplant roots.
Among them， nutrient availability seemed to be an important
factor with a profound effect on SL production and/or exuda-
350 K. Yoneyama
tion. For example， several reports have demonstrated that fer四
tilizer applications suppressed the emergence of root para-
sites， and root exudates from plants grown under phosphate (Pi) starvation were more active in hyphal branching of AM
fungi than those丘omplants grown with sufficient Pi nu位i-
tion. However， it was not c1ear whether such a reduction in
seed germination and hyphal branching activities was due to
reduced production of SLs or increased production of irト
hibitors. Therefore， the effects of plant nutrients (N， P， K， Mg，
Ca) were examined on the exudation of a SL orobanchol in
red c1over. The results c1early demonstrated that reduced sup-
ply of P but not of other e1ements examined in the culture
medium significantly promoted the release of orobanchol.
Similar results were obtained with sorghum where N defi-
ciency as well as P deficiency promoted the exudation of 5-
deoxystrigol， one of the m司jorSLs in sorghum. The level of
5・deoxystrigolin root tissues was also increased under P and
N deficiency but that in shoot tissues was not affected. There-
fore it is likely that， in leguminous plants， which have a sym-
biotic relationship with Rhizobia and acquire N from root
nodules， only P deficiency enhances SL exudation to attract
AM symbionts for P supply. Non-leguminous plants such as
sorghum seem to depend on AM symbionts for the supply of
both N and P; however， non-myco仕ophicplants， such as Ara-. bidopsis and white lupin， were found to produce SLs， suggest-ing that SLs had other unknown functions indispensable for
Journal 01 Pesticide Science
the normal growth and development of the plants themselves.
SLs have been identified as a novel c1ass of plant hormones
inhibiting shoot branching.
Conclusion
It is well known that a new specific bioassay will lead to the
discovery of a novel c1ass of biologically active compounds.
Germination assays with seeds of root parasitic plants are
highly sensitive with high specificity. The recent development
of sophisticated mass spectrometry enabled us to detect unsta-
ble bioactive compounds at trace amounts but it is still less
sensitive than specific bioassays. This is true for strigolac-
tones; germination assays are 100 to 1000・foldmore active
thanLC-MS瓜tISanalysis.
Root parasitic plants (weeds) cause devastating damage to
agricultural production all over the world. The annual crop
losses caused by Striga have been estimated to be US$lO bil-
lion in sub-Saharan A企ica.Striga scourge may be limited to
deve10ping countries， but S. asiatica，自rstidentified in 1955 in
North Carolina， U.S.A.， has not yet been eradicated. Similarly，
weedy Orobanche and Phelipanche species are now gradually
invading developed countries in Europe， Oceania， and North
America. In order to establish an affordable management
strategy for these root parasites， we should further c1ari今the
details of their host recognition mechanism.
