何十年もの間、科学者たちは植物が揮発性有機化合物(要するに空気中の化学信号)を放出して、ケムシなど自分を食べるものの天敵を呼び寄せることができることを知っていた。しかし、植物が食べられるという物理的行為を、どのようにして特定の捕食者を呼び寄せる苦痛信号に変換するのか、その正確な仕組みはわかっていなかった。今、ワシントン大学の生物学者アダム・スタインブレナー率いるチームが、研究室とメキシコ・オアハカの農業現場でインゲンマメを使った長年の実験の末、ケムシ対策防御システムを統括する単一の免疫受容体を特定した。
草食性昆虫(ケムシなど)が植物を食べると、その唾液が植物の損傷組織に直接注入される。この唾液にはHAMPs(草食動物関連分子パターン)と呼ばれる生物学的な手がかりが含まれている。HAMPs分子の一つはインセプチンというペプチドで、その11アミノ酸断片がIn11と呼ばれる。どちらも葉緑体にあるATP合成酵素の断片、つまり植物自身のタンパク質の一部であることが判明している。ケムシが葉を摂取すると、その腸内酵素が植物の細胞エンジンとその断片(In11を含む)を分解し、非常に低濃度ではあるが、それらが葉の表面に吐き戻される。
何百万年もの進化の過程で、インゲンマメなどの植物はIn11を検出するために、インセプチン受容体と呼ばれる特殊な細胞表面受容体を進化させてきた。この受容体がIn11と相互作用すると、植物細胞内でシグナル伝達カスケードが始動し、免疫応答が開始される。しかし、この特定の受容体が捕食者を呼び寄せる信号の放出に関与していることを証明するのは非常に困難だった。「それを証明するのは楽しみでしたが、完璧な比較植物、つまり受容体を持たない植物と完全な受容体を持つ植物が必要でした」とスタインブレナーは言う。
問題は、インゲンマメは遺伝子組み換えが非常に難しいことで、遺伝子サイレンシングのような現代的な手法は使えなかった。また、改変が容易な植物を選ぶこともできなかった。なぜなら、この受容体は特定のマメ科植物にしか存在しないからだ。これを回避するために、彼のチームは昔ながらの方法、つまり選択的育種によって必要な改変を導入しなければならなかった。最初のステップは、In11受容体が機能していないインゲンマメを見つけることだった。彼らはメソアメリカの豆の大規模パネルをスクリーニングし、In11にさらされたときにエチレンガス(典型的な植物ストレス指標)を生成しない品種を探した。テストした89品種のうち、このペプチドを完全に無視する2品種が見つかった。そのうちの1つ、ホンジュラス産の系統W6 13807を選んだ。
研究者たちがこの感受性のない豆のゲノムをシーケンスしたところ、インセプチン受容体をコードする遺伝子に自然発生した103塩基対の欠失があることがわかった。この変異は受容体の重要な部分を欠失させ、その結果、短縮された機能不全のタンパク質を生じる。この機能不全受容体が植物の防御に与える影響を調べるため、チームは実験用の植物を育種し始めた。変異体とIn11に応答する標準的な豆の変異体との間で一連の遺伝的交配と戻し交配を行い、機能的なインセプチン受容体の有無以外はほぼ遺伝的に同一の兄弟植物を作り出した。「私たちはただの育種家になり、それには数年かかりました」とスタインブレナーは振り返る。
これら2つの兄弟植物を研究室と圃場で並べて比較したところ、インセプチン警報が壊れていることの結果は豆植物にとってかなり深刻だった。まず、研究者たちは直接防御、つまり植物が葉をケムシにとって食べにくくし、成長を妨げるために行う化学的・物理的変化を調べた。ケムシが不活性なインセプチン受容体を持つ変異豆を食べた場合、彼らは大いに楽しんだ。5日間の摂食期間で、その成長率は機能的な受容体を持つ植物よりも70%以上高かった。