齐藤 玉绪
上智大学 理工学部 物质生命理工学科 教授
2020～2024年 A-STEP研究负责人
“创新日本走访” 系列采访那些以实际应用于社会一线为目标的研发现场。第16回介绍上智大学理工学部的齐藤玉绪教授的研究，她正与企业合作，利用兼具动物和植物特性的 “细胞性粘菌” 产生的线虫驱避物质开发植物保护材料，以便实现低农药化。
先期研究只有一篇论文
用根结线虫进行实验
JR中央线四谷站附近、位于东京市中心的上智大学四谷校区内绿意盎然。上智大学理工学部的齐藤玉绪教授自2009年起在此任职，并于赴任次年开始研究细胞性粘菌与线虫的关系。细胞性粘菌是一种生活在地表附近的土壤微生物，虽是类似变形虫的单细胞生物，但当周围缺乏其食物——细菌时，会聚集起来表现出类似蘑菇似的多细胞生物特性，是一种少见的具有独特生存策略的生物。齐藤教授在大学学生时代首次接触到细胞性粘菌并产生兴趣，抱着“能了解单细胞向多细胞进化的过程”的想法，齐藤教授一直在进行相关研究。
博士毕业后，她参与了由人类基因组计划开始的模式生物基因组解析计划，对细胞性粘菌的基因组进行了解析。结果发现，细胞性粘菌基因组中有62%为蛋白质设计图的编码区域，且特征是其中具有非常多的 “聚酮合成酶”。聚酮是一种二次代谢产物，不同于蛋白质、碳水化合物等生物生命活动必需的一级代谢产物，二次代谢产物在自然界的生存竞争中发挥作用，各种生物都有其特有的二次代谢产物。这些功能性物质可用于药物或药品原料。此外，有观点认为它还是与其他生物进行交流的物质。
“在思考细胞性粘菌利用聚酮合成酶在做什么的问题后，我开始认为它可能是为了生存而与其他微生物进行交流”，齐藤教授说道。她同时注意到，存在细胞性粘菌的土壤中必然会有线虫，所以推测二者之间可能存在某种关系，为此而开始了研究。在这方面，先期的海外研究仅有一篇1996年发表的论文，这位研究人员在培养皿中央放置线虫，一侧放置粘菌和食物，然后观察线虫的行为。发现若不放置任何物质，线虫会在培养皿中自由活动；若仅放置食物，则线虫会向食物移动；但仅放置粘菌时，线虫会远离粘菌。
以这篇文为基础，齐藤教授对植物寄生性根结线虫进行了相同的实验，发现线虫的运动会避开粘菌的子实体。此外，即使在培养皿内在滤纸上培养细胞性粘菌，拿掉滤纸去除粘菌后再放置线虫，线虫仍会避开该区域（图1）。这表明粘菌分泌的化学物质具有驱避线虫的效果。齐藤教授认为，粘菌驱避线虫有利于自身生存，这一特性或许可以应用于农业。
图1 细胞性粘菌与线虫的关系
即使从培养皿上移除粘菌本体及附着的滤纸，位于区域1与区域2之间的根结线虫仍会避开粘菌曾存在过的区域，而向区域2移动。
从新技术说明会到共同研究
大量生产与确定成分是关键
实验中使用的根结线虫是一种会寄生在多种作物上并形成 “根结” 的线虫，会对农业生产造成严重损害（图2）。通常，在种植前会向土壤中喷洒农药以除去线虫，但在地下深处的线虫往往能幸存下来。由于种植期间不能使用农药，线虫一旦存活下来并寄生，便无计可施。“如果使用来自粘菌衍生的植物保护材料，是否能保护作物免受线虫侵害呢？” 基于这一想法，齐藤教授在2014年获得了上智大学研究推进中心的支持，并申请了专利。
图2 根结线虫的危害
被根结线虫寄生后形成根结的番茄（左图）以及苦瓜（右图）。植物出现这种情况后，便无法有效地吸收养分，导致产量下降，甚至会因虚弱而枯死。此外，根结线虫还可能引发青枯病等土壤病害。
在该中心的建议下，齐藤教授于2014年参加了JST（日本科学技术振兴机构）的新技术说明会，有多家企业对她的研究的感兴趣，并与她进行接触。其中一家是总部位于京都府长冈京市的PANEFERI工业公司，正在开发利用植物原料的线虫防治剂。鉴于研究方向的相似性以及该公司在线虫防治方面的丰富知识和可信赖性，齐藤教授决定与之开展共同研究。“过去主要以基础研究为主，起初我对自己的研究应用于社会并没有实际感受。这次得到如此宝贵的机会，令人非常高兴。”
在共同研究中，齐藤教授负责确定忌避物质、解析作用机制，以及负责开发忌避物质的量产技术；Panefri 工业公司则负责为实用化建立批量生产体系，并在圃田中验证线虫的防治效果。2015年，双方的合作研究入选了JST的 “Matching Planner Program” 的支持项目，2017年又入选了A–STEP产学共同阶段（种子培育型可行性研究）。研究初期，对于研究规模的不同，齐藤教授还曾有过不少困惑。
此前，齐藤教授在实验室中使用的忌避物质的量大约只有10～20毫升，而企业要求的供应量却是几十倍的数量级。为了实用化，齐藤教授认识到建立大规模生产体系和确定忌避成分至关重要。经过与Panefri工业公司的商讨，她在完成种子培养型可行性研究后，又回到A–STEP的功能验证阶段，解决了批量生产和确认成分这两项关键问题，之后进入了正式的产学合作阶段。
为低成本制造代谢产物开辟道路
瞄准实际莆田的土壤健康化
在实现大规模生产系统的过程中，双方经历了不断的尝试和调整。细胞性粘菌被认为不适合在培养罐内培养，但通过调节搅拌速度、温度等多种条件，最终克服了这一难题，成功实现了培养规模的飞跃性提升。此外，齐藤教授的团队还解析了粘菌忌避活性的水溶性成分，并对包括类似化合物在内的约150种化合物进行了线虫忌避效果验证。在确定了14种有效成分后，选择了其中9种进行混合，最终，与粘菌提取液相比，这些混合物仅需约一百分之一的量，就有几乎相同的活性。这一成果使得通过混合特定的忌避成分，实现比以往更低成本的生产成为可能。
实用化的下一步是验证在实际圃田中的效果。与实验室条件不同，实际圃田中不可避免会受到其他微生物和天气的影响，因此验证难度也大为上升。目前，在实际圃田中还未获得充分的结果，今后将进行机理分析和验证工作。关于研究的未来，齐藤教授展望道；“在研究过程中，我们发现这些忌避物质也有促进植物生长的效果。如果能够实现实用化，不仅能减少化学农药的使用量，还能促进土壤健康化。”（图3）
图3 使用线虫忌避材料有望为农业带来的变化
使用齐藤教授等人开发的线虫忌避材料，有可能减少化学农药的使用量，促进土壤的健康化。
日本农林水产省为实现通过创新提升食品及农林水产业的生产力，同时提升可持续性，于2022年制定了 “绿色食品系统战略”。该战略设定了到2050年将化学农药使用量减少50%的目标。齐藤教授与Panefri工业公司正在研发的基于粘菌特性的线虫忌避材料，一定能在不增加生产者负担的情况下，成为实现这一目标的有效方案之一。（TEXT：樱井裕子、PHOTO：石原秀树）
原文：JSTnews 2024年11月号
翻译：JST客观日本编辑部
