学会賞受賞業績（業績賞）
キーワード： アレロケミカル，アレロパシー，被覆植物， 重力屈性，トランスクリプトーム解析
Keywords: allelochemicals, allelopathy, gravitropism, ground cover plants, transcriptome analysis
アレロパシー（他感作用）は，植物が放出する化学物質（他 感物質，アレロケミカル）が他の生物に，阻害的あるいは促 進的ななんらかの作用を及ぼす現象である（藤井 2000）。こ れらは，古くから植生遷移や連作障害の要因として研究され てきた。近年，植物二次代謝物質の存在意義の一つがアレロ パシーであるとする「アレロパシー仮説」が提唱され，アレ ロパシー活性の強い被覆植物を雑草や病害虫防除へ利用した り，作用物質を新たな農薬のリード化合物とする研究が広 がっている（藤井 2016）。 著者らは，これまでにアレロパシーの検定法の開発と作用 物質の同定に関する研究を行って来た（藤井 2000）。例えば， 養分競合や光競合などの環境要因を排除して，アレロパシー 現象を評価するサンドイッチ法，プラントボックス法などの アレロパシー特異的な検定法の開発と，化学物質のアレロパ シー現象への寄与率を考慮した全活性法によるアレロケミカ ルの同定に関する研究を行い，ハッショウマメ（ムクナ， Mucuna pruriens (L.) DC. var. utilis (Wall. ex Wight) Baker ex Burck）類から L-ドーパ，ナヨクサフジ（ヘアリーベッチ， Vicia villosa Roth ssp. varia (Host) Corb.）類からシアナミド等 を同定し，他にいくつかの新規生理活性物質を同定した。こ こではこれらの研究以降に実施した雑草学と関連の深い研究 について紹介する。
1．雑草のアレロパシー活性データベース
開発したアレロパシーに特異的な検定法を用いてこれまで に約 4,000 種の植物のアレロパシー活性を検定した（Ono-Morikawa et al. 2012a, b; Shinwari et al. 2013a, b, 2017; Takemura et al. 2013b; Appiah et al. 2015a, b, 2017; 藤井 2016; Mardani et al. 2016; Nakamori-Maehara et al. 2018）。 外来雑草の中でも侵略性が高いものは，アレロパシー活 性が強いものが多く，アレロケミカルを「武器」として侵 略するという「新兵器仮説」が提唱されている（Callaway & Ridenour 2004）。そこで在来植物と外来植物のアレロパシー 活性を，これまでに開発した検定法で比較し，約 600 種の外 来植物のアレロパシー活性のデータベースを作成した。その 結果，特定外来生物に指定されている植物は，アレロパシー 活性が強い傾向にあることが明らかになった。これらのアレ ロパシー活性評価の結果から，ナガミヒナゲシ（Papaver dubium L.），ツノアイアシ（Rottboellia cochinchinensis (Lour.) Clayton），ギンネム（Leucaena leucocephala (Lam.) de Wit）， ナガエツルノゲイトウ（Alternanthera philoxeroides (Mart.) Griseb.），外来のオオハナウド類（Heracleum sosnowskyi Manden.） などが注意すべき外来雑草であると考えた。2．外来植物に含まれるアレロパシー物質の同定
日本にはまだ侵入していないが，コーカサス原産の植物 で，侵略性が強く，ロシア全土，東ヨーロッパ各地に広がって いるソスノウスキーズ・ホグウィード（Heracleum sosnowskyi Manden.）と呼ばれているオオハナウドの近縁種がある。こ の植物は，植物体内にヒトに対して皮膚炎を引き起こすフラ ノクマリンを含むため問題雑草となっている。この物質が皮 膚に触れると，火傷をしたような水疱ができ，傷跡は長期間 消えず，眼に入った場合は失明することがある。この植物は 日本在来のオオハナウドよりも大型で草丈は 2～4 m に達す る。現地調査でロシア領のウラジオストックとその周辺の島 には波打ち際に大群落が存在していた。この植物の原産地で あるコーカサス地方において地元の研究者と共同でアレロパ シー活性の検定を行った（Mardani et al. 2016）。その結果， この植物は強いアレロパシー活性を持つことが明らかとなっ た（Mishyna et al. 2015a）。そのアレロケミカルは，葉や根か ら滲出するアンゲリシン等のフラノクマリンと，1 個体あた り最高 10 万粒と大量に生産され植物の直下の地表面を覆い 尽くす果実（種子）に含まれる揮発性成分のオクタナールで あることを明らかにした（Mishyna et al. 2015b, 2017）。3．在来植物のアレロパシーを利用した
外来雑草の防除
ソバ（Fagopyrum esculentum Moench）のアレロケミカルと ソバを利用した外来雑草の防除について研究した。ソバ地上 部に含まれる特有アルカロイドのファゴミン等の植物生長阻
アレロパシー研究の推進による雑草学への貢献
藤井義晴
★ 東京農工大学大学院農学研究院 〒 183-8509 東京都府中市幸町 3-5-8 ★ [email protected]Yoshiharu Fujii★: Contribution to weed science through allelopathic
research
Tokyo University of Agriculture and Technology, 3-5-8 Saiwai-cho, Fuchu, Tokyo 183-8509, Japan
害活性も強かったが，地上部や根に含まれる量は少なく，ア レロパシーへの寄与率が低いと考えられた。総合的に雑草抑 制活性と，ソバの植物体中に存在する化合物濃度（全活性） から，フラボノイド配糖体のルチンがソバのアレロパシー活 性の本体であると推定した（Golish et al. 2007）。ソバは，電 力会社の用水路法面での防除試験においても雑草抑制効果が 高いことが確認された（藤井 2005）。 ニセアカシアは蜜源として重要な外来樹木であるが，河川 敷に侵入して大繁茂し，在来植物の少ない群落を形成するこ とから問題のある外来植物とされている。多摩川の河川敷に おける観察で，ニセアカシアは，在来種のオニグルミがある と侵入できないことが観察された。そこで，オニグルミ （Juglans mandshurica Maxim. var. sachalinensis (Komatsu) Kitam.）
のアレロパシーを利用したニセアカシア（Robinia pseudoacacia L.）の防除の可能性について調べた（Jung et al. 2010）。まず はじめに，オニグルミのアレロケミカルを全活性法で調べ た結果，オニグルミ周辺に存在するユグロンが作用本体であ ることが明らかとなった。また，オニグルミの根から滲出す るユグロン（第 2 図）は，育苗ポットでオニグルミと共に栽 培したニセアカシアの生育を顕著に抑制した（Jung et al. 2010）。 その他にアレロパシー活性を評価したリュウノヒゲ，ヒガ ンバナ，シラン，ヤブラン等の在来あるいは史前帰化植物の アレロパシー活性は強いことが判明した（Takemura et al. 2013b）。このような在来植物を被覆植物として水田畦畔や法 面の緑化に利用した雑草抑制が可能であると考えられた（藤 井 2000，2016; Fujii et al. 2012; Fujii and Appiah 2018）。
4．アレロケミカルの探索と
新規生理活性物質の開発
南米やアジア等の植物約 660 種のアレロパシー活性を検索 し最も強い活性を持つ植物に絞って，全活性法によりアレロ ケミカルの単離構造決定を行った（藤井 2016; Mardani et al. 2016; Nakamori-Maehara et al. 2018）。ペルー国ペルーアマゾ ン研究所とラモリナ農業大学との共同研究として有望植物の 成分探索を実施した（Ono-Morikawa et al. 2012a, b; Sotero et al. 2016）。マレーシア，パキスタン，イラン，カメルーン 等世界各地の植物のアレロパシー活性を評価した（Ndam et al. 2014, 2015a, 2015b, 2016; Syed et al. 2014, 2015; Mardani et al. 2015a; Parisa et al. 2018）。その結果，サフラナール（Mardani et al. 2015b），イソフォロン，2,2,6-トリメチルシクロヘキサ ノン，ウンベリフェロン（Ono-Morikawa et al. 2011），(S)-(+)-カルボン，ミリタリン（Sakuno et al. 2010），クマリン（Takemura et al. 2013a），ゴニオタラミン（Takemura et al. 2012）等を同 定した（第 1 図）。5．アレロケミカルの作用機構推定のための
トランスクリプトーム解析
トランスクリプトーム解析によってアレロケミカルの作用 機構を推定する研究を行った（Wasano et al. 2014）。これま でに同定したアレロケミカルについて，その植物生長阻害作 用発現機構をトランスクリプトーム解析で解析した結果か ら，4 つに類型化することができた。ムクナに含まれるアレ ロケミカルであり，医薬品としても使われるアミノ酸である L-ドーパについて，マイクロアレイで植物に対する作用を調 べた結果，既知の除草剤の作用機構とは全く異なる新たな作 用機構を持っている可能性が示唆された（Golish et al. 2011）。 また，バンレイシ科ゴニオタラムス属の薬用植物である Goniothalamus andersonii J. Sinclair から見出した植物生育阻害 作用の強いゴニオタラミンの作用機構は細胞壁に関係する遺 伝子（AtEXPA）への影響と酸化的ストレスの誘導であるこ とを明らかにした（Wasano et al. 2015）。ユキヤナギ（Spiraea thunbergii Sieb.）からアレロケミカル として見出した）シス桂皮酸と，その誘導体が影響を及ぼす 遺伝子を解析した結果，シス桂皮酸は植物の根におけるオー キシン関連遺伝子（Aux/IAA family (IAA1, IAA5)，GH3 family (GH3.1, GH3.2, GH3.3) および LBD gene (LBD16)）の発現に
影響することを明らかにし，シス桂皮酸が植物の重力屈性を 阻害する可能性が示唆された（Wasano et al. 2013）。
6．重力屈性を阻害するアレロケミカルと
つる性雑草の防除
雑草の中でも，つる性雑草は大きな問題となっている。ク ズ（Pueraria montana var. lobata (Willd.) Sanjappa & Pradeep）， アレチウリ（Sicyos angulatus L.）といったつる性雑草が農業 や人間生活にさまざまな問題を引き起こす。植物の成長器官 は，先端を螺旋状に回転させながら伸長する回旋運動を示す。 回旋運動には重力屈性が関与している。そこで重力屈性阻害 作用によりつるの巻きつきを抑制する研究を行った。 これまでの研究で最も強いアレロパシー活性を持っていた 日本在来植物ユキヤナギのアレロケミカルであるシス桂皮酸 誘導体をリード化合物とし，九州大学の新藤教授との共同研 究で 500 種以上の誘導体を合成して植物生長阻害に関する構 造活性相関を調べ（Nishikawa et al. 2013; Okuda et al. 2014）， トランスクリプトーム解析等で作用機構を調べた。その結果， 重力屈性を阻害する活性が飛躍的に高まった新規な構造を持 つ物質が得られた（第 2 図）。更に，新しい抑草剤，除草剤 の出発物質を探索する研究を行った結果，シス桂皮酸とその 誘導体以外に，クマリン，カルコン類，ヒノキチオール（第 3 図）とその関連の植物成分に重力屈性を阻害する活性があ ることを見出し，2 件の特許を申請した（藤井ら 2015a, b）。 正の重力屈性阻害は，根部伸長阻害することによって，砂 漠で問題となっているメスキート（Prosopis juliflora (Sw.) DC.） などの雑草の制御に役立つ可能性がある。これらの薬剤処理 によって植物の根が地表面に浮き上がることから，除草剤の 効き目を強める可能性がある。一方，地上部の重力屈性阻害 は，つる植物のつるの巻き付きを防止できることから，クズ， アレチウリ，ヤブガラシなど等つる性雑草の制御に利用でき る可能性がある。 これまでの研究で，重力屈性の阻害によって，実験室の規 模でつるの巻き付きを阻害する物質を数種類見出すことがで きた。しかし，現地実証試験と実用的利用技術は完成してい ない。支柱やフェンスに塗布する方法が確立していないこと， 野外における化合物の安定性など解決すべき問題がある。し かしこのような成分は植物を直接枯らすことなく，そのまき つき被害を抑制することができるので，新しい雑草制御法と して発展することを期待している（Fujii and Appiah 2018）。
謝 辞
本研究には，次の研究資金の援助を受けた：平成 20 年～ 24 年度（2008～2012 年度）に生研センターのイノベーショ ン創出基礎的研究推進事業の技術シーズ開発型研究「アレロ ケミカルの探索と新規生理活性物質の開発」。2013 年度～ 2015 年度に，農林水産業・食品産業科学技術研究推進事業「発 展融合ステージ」において「重力屈性に影響を及ぼす生理活 性物質の開発と農林業への利用」，2014 年度～2017 年度に科 研費の基盤研究（B）海外学術「つるの巻き付きを防止する 生理活性物質を含む植物の探索と作用物質の同定」。記して 感謝します。 本研究は，農林水産省農業技術研究所，農業環境技術研究 所，四国農業試験場，農業環境技術研究所，（独）農業環境 技術研究所，東京農工大と異動した 38 年間継続してアレロ パシーの研究を行わせて頂いたおかげであり，多くの上司， 先輩および共同研究者，研究室員，学生諸氏のご助力の賜物 であることに感謝しております。また，本学会賞に推薦いた だき，授与していただいた関係各位の先生方に深く感謝いた します。 引用文献Appiah, K.S., C. Amoatey, Y. Fujii 2015a. Allelopathic activities of selected
Mucuna pruriens on the germination and initial growth of lettuce
(Lactuca sativa). International Journal of Basic and Applied Sciences 4, 475–481.
Appiah, K.S., Z. Li, R-S. Zeng, S. Luo, Y. Oikawa and Y. Fujii 2015b. Determination of allelopathic potentials in plant species in Sino-Japanese
第 2 図 新規重力屈性阻害物質
Floristic Region by sandwich method and dish pack method. International Journal of Basic and Applied Sciences 4, 381–394.
Appiah, K.S., H.M. Korrani, A. Osivand, S. Kpavitey, C. Amoatey, Y. Oikawa and Y. Fujii 2017. Exploring alternative use of medicinal plants for sustainable weed management. Sustainability 9, 1468–1491. Araya, H., J. Otaka, E. Nishihara and Y. Fujii 2012. First isolation and
identification of salicylate from Betula grossa var. ulmifolia – A potent root growth inhibitor. Allelopathy Journal 30, 153–158.
Callaway, R.M., W.M. Ridenour 2004 Novel weapons: invasive success and the evolution of increased competitive ability. Frontiers in Ecology and Environment 2, 436–443. 藤井義晴 2000．「アレロパシー―他感物質の作用と利用―」．農山漁 村文化協会，東京 . 藤井義晴 2005．ソバ属植物のアレロパシーとソバを利用した植生管 理．農業技術，60(2), 63–68. 藤井義晴 2016．「植物たちの静かな戦い―化学物質があやつる生存 競争―」．化学同人，東京．
Fujii, Y., T. Kamo, S. Hiradate, M. Shindo and K. Shishido 2012. Isolation and identification of novel allelochemicals and utilization of allelopathic cover plants for sustainable agriculture. Pakistan Journal of Weed Science Research 18, 181–186. 藤井義晴・新藤充・和佐野直也・田村尚幸 2015a．「シス桂皮酸類縁体， 重力屈性調節剤」，日本国特許：特願 2015-042924，平成 27 年 3 月 4 日出願． 藤井義晴・和佐野直也・田村尚幸・吉田昌裕 2015b．「新規化合物及 び重力屈性調節剤」，日本国特許：特願 2015-104742，平成 27 年 5 月 22 日出願．
Fujii, Y. and K.S. Appiah 2018. Allelopathy for sustainable weed manage-ment. In “Weed Control: Sustainability, Hazards, and Risks in Cropping Systems Worldwide” ed. by N.E. Korres, N.R. Burgos, S.O. Duke, CRC Press; pp. 166–190.
Golisz, A., B. Lata, S.W. Gawronski and Y. Fujii 2007. Specific and total activities of the allelochemicals identified in Buckwheat. Weed Biology and Management 7, 164–171.
Golisz, A., M. Sugano, S. Hiradate and Y. Fujii 2011. Microarray analysis of
Arabidopsis plants in response to allelochemical L-DOPA. Planta 233,
231–240.
Jung, K., Y. Fujii, S. Yoshizaki and H. Kobori 2010. Evaluation of total allelopathic activity of heartseed walnut (Juglans ailanthifolia Carr.) and its potential to control black locust (Robinia pseudo-acacia L.). Allelopathy Journal 26, 243–254.
Mardani, H., S.M. Ziaratnia, M. Azizi, H.P. Aung, K.S. Appiah and Y. Fujii 2015a. In vitro microtuberization of Black Zira (Bunium persicum Boiss.). African Journal of Biotechnology 14, 2080–2087.
Mardani, H., T. Sekine, M. Azizi, M. Mishyna and Y. Fujii 2015b. Identification of safranal as the main allelochemical from Saffron (Crocus
sativus). Natural Product Communications 10, 775–777.
Mardani, H., E. Kazantseva, V. Onipchenko and Y. Fujii 2016. Evaluation of allelopathic activity of 178 Caucasian plants species. International Journal of Basic and Applied Sciences 5, 75–81.
Mishyna, M., N. Laman, V. Prokhorov and Y. Fujii 2015a. Angelicin as the principal allelochemical in Heracleum sosnowskyi fruit. Natural Product Communications 10, 767–770.
Mishyna, M., N. Laman, V. Prokhorov, J.S. Maninang and Y. Fujii 2015b. Identification of octanal as plant growth inhibitory volatile compound
released from Heracleum sosnowskyi fruit. Natural Product Communications 10, 771–774.
Mishyna, M., V.T.T. Phan and Y. Fujii 2017. Evaluation of allelopathic activity of Heracleum sosnowski fruits. Allelopathy Journal 42, 169–172. Nakamori-Maehara, T., R. Miyaura, C.I. Ono-Morikawa, L.F. Pérez de
Molas and Y. Fujii 2018. Screening of 239 Paraguayan plant species for allelopathic activity using the sandwich method. Allelopathy Journal 44, 1–9.
Ndam, L.M., A.M. Mih, A.G.N. Fongod, A.S. Tening, R.K. Tongjock, J.E. Enang and Y. Fujii 2014. Phytochemical screening of the bioactive compounds in twenty (20) Cameroonian medicinal plants. International Journal of Current Microbiological and Applied Sciences 3, 768–778. Ndam, L.M., A.M. Mih, A.G.N. Fongod, A.S. Tening, N.A. Temenu and Y.
Fujii 2015a. First record of Euphorbia golondrina L. C. Wheeler (Euphorbiaceae) in Cameroon. Journal of Biodiversity and Environmental Sciences 6, 428–434.
Ndam, L.M., A.M. Mih, A.S. Tening, A.G.N. Fongod, N.A. Temenu and Y. Fujii 2015b. Foliar micromorphology of Euphorbia golondrina L. C. Wheeler (Euphorbiaceae) from Cameroon. International Journal of Current Research 7, 18261–18267.
Ndam, L.M., A.M. Mih, A.S. Tening, A.G.N. Fongod, N.A. Temenu and Y. Fujii 2016. Phytochemical analysis, antimicrobial and antioxidant activities of Euphorbia golondrina L. C. Wheeler (Euphorbiaceae Juss.) – an unexplored medicinal herb reported from Cameroon. SpringerPlus 5, 264–279.
Nishikawa, K., H. Fukuda, M. Abe, K. Nakanishi, Y. Tazawa, C. Yamaguchi, S. Hiradate, Y. Fujii, K. Okuda and M. Shindo 2013. Design and synthesis of conformationally constrained analogues of cis-cinnamic acid and evaluation of their plant growth inhibitory activity. Phytochemistry 96, 223–234.
Okuda, K., K. Nishikawa, H. Fukuda, Y. Fujii and M. Shindo 2014. cis- Cinnamic acid selective suppressors distinct from auxin inhibitors. The Journal of Chemical and Pharmaceutical Bulletin 62, 600–607.
Ono-Morikawa, C.I., R. Miyaura, T. Kamo, S. Hiradate, J.A. Chavez-Perez and Y. Fujii 2011. Isolation of umbelliferone as a possible principal allelochemical from Peruvian medicinal plant Diplostephium foliosissimum. Revita de la Sociedad Quimica Del Peru 77, 285–291.
Ono-Morikawa, C.I., R. Miyaura, M.D.L.T.Y. Figueroa, E.L. Rengifo-Salgado and Y. Fujii 2012a. Screening of 170 Peruvian plant species for allelopathic activity by using the Sandwich Method. Weed Biology and Management 12, 1–11.
Ono-Morikawa, C.I., R. Miyaura, A. Fujimoto, M.D.L.T.Y. Figueroa, V.N. Nalvarte and Y. Fujii 2012b. Allelopathic activity of Peruvian corn varieties. International Journal of Environmental and Rural Development 3, 10–15. Parisa, T., L.M. Ndam and Y. Fujii 2018. Alternative approach to manage-ment of Rhizopus rot of peach (Prunus persica L.) using the essential oil of Thymus vulgaris (L.). Mycosphere 9, 510–517.
Sakuno, E., T. Kamo, T. Takemura, H. Sugie, S. Hiradate and Y. Fujii 2010. Contribution of militarine and dactylorhin A to the plant growth-inhibitory activity of a weed-suppressing orchid, Bletilla striata. Weed Biology and Management 10, 202–207.
Shinwari, M.I., M.I. Shinwari and Y. Fujii 2013a. Allelopathic activity of medicinal plants and weeds from Pakistan. Allelopathy Journal 32, 223– 232.
shared invasive plants and weeds of Pakistan and Japan for environmental risk assessment. Pakistan Journal of Botany 45, 467–474.
Shinwari, M.I., O. Iida, M.I. Shinwari and Y. Fujii, 2017. Evaluation of phytodiversity for allelopathic activity and application to minimize climate change impact: Japanese Medicinal Plants. Pakistan Journal of Botany 49, 139–144.
Sotero, V., P. Suarez, J.E. Vela, D.G. de Sotero and Y. Fujii 2016. Allelochemicals of three Amazon plants identified by GC-MS. International Journal of Engineering and Applied Sciences 3, 1–7.
Syed, S., Z.I. Ahmed, A. Razzaq, R. Qureshi, M.I. Al-Haq and Y. Fujii 2014. The possible role of organic acids as allelochemicals in Tamarindus indica L. leaves. Acta Agriculturae Scandinavica, Section B - Plant Soil Science 64, 511–517.
Syed, S., M.A. Khan, M.I. Al-Haq, M. Hussain, S.R. Qureshi and Y. Fujii 2015. Sarcococca saligna (Muell.-Arg.) Exhibits Residual Allelopathy. Jokull Journal 65, 46–53.
Takemura, T., T. Kamo, R. Ismil, B. Bakar, N. Wasano, S. Hiradate and Y. Fujii 2012. Plant growth inhibitor from the Malaysian medicinal plant
Goniothalamus andersonii and related species. Natural Product
Communications 7, 1197–1198.
Takemura, T., T. Kamo, E. Sakuno, S. Hiradate and Y. Fujii 2013a. Identification of coumarin as the predominant allelochemical in Gliricidia
sepium, a leguminous tree of seasonally dry forests. Journal of Tropical
Forest Science 25, 268–272.
Takemura, T., E. Sakuno, T. Kamo, S. Hiradate and Y. Fujii 2013b. Screening of the growth-inhibitory effects of 168 plant species against lettuce seedlings. American Journal of Plant Sciences 2013, 1095–1104. Wasano, N., M. Sugano, K. Nishikawa, K. Okuda, M. Shindo, H. Abe, S-Y.
Park, S. Hiradate, T. Kamo and Y. Fujii 2013. Root-specific induction of early auxin-responsive genes in Arabidopsis thaliana by cis-cinnamic acid. Plant Biotechnology 30, 465–471.
Wasano, N., M. Sugano, K. Nishikawa, K. Okuda, M. Shindo, S-Y. Park, S. Hiradate, T. Kamo and Y. Fujii 2014. Transcriptomic evaluation of the enhanced plant growth-inhibitory activity caused by derivatization of
cis-cinnamic acid. Journal of Pesticide Science 39, 85–90.
Wasano, N., T. Takemura, R. Ismil, B. Bakar and Y. Fujii 2015. Transcriptomic evaluation of plant growth inhibitory activity of Goniothalamin from the Malaysian medicinal plant Goniothalamus
