気候変動と急速な人口増加は、世界の食料安全保障にとって重要な課題となっています。有望な解決策の 1 つは、植物成長調節剤（PGR）作物の収量を増加させ、砂漠気候などの不利な生育条件を克服します。最近、カロテノイドのザキシノンとその 2 つの類似体 (MiZax3 および MiZax5) が、温室および野外条件下で穀物および野菜作物において有望な成長促進活性を実証しました。ここでは、カンボジアにおける 2 つの高価値野菜作物であるジャガイモとサウジアラビアの成長と収量に対する、さまざまな濃度の MiZax3 と MiZax5 (2021 年に 5 μM と 10 μM、2022 年に 2.5 μM と 5 μM) の影響をさらに調査しました。いちご。アラビア。 2021年から2022年にかけて行われた5つの独立した圃場試験では、両方のMiZaxの適用により、植物の農業学的特性、収量構成要素、および全体の収量が大幅に改善されました。 MiZax はフミン酸 (ここでは比較のために広く使用されている市販の化合物) よりもはるかに少ない用量で使用されていることに注目する価値があります。したがって、我々の結果は、MiZax が砂漠条件下や比較的低濃度でも野菜作物の成長と収量を刺激するために使用できる、非常に有望な植物成長調節剤であることを示しています。
国連食糧農業機関 (FAO) によると、増加する世界人口を養うには、食料生産システムを 2050 年までにほぼ 3 倍にする必要があります (FAO: 世界は 2050 年までに 70% 多くの食料を必要とします1)。実際、急速な人口増加、汚染、害虫の移動、特に気候変動による高温と干ばつはすべて、世界の食料安全保障が直面している課題です2。この点において、準最適条件下で農作物の総収量を増加させることは、この差し迫った問題に対する議論の余地のない解決策の 1 つです。しかし、植物の成長と発育は主に土壌中の栄養素の利用可能性に依存し、干ばつ、塩分、生物ストレスなどの有害な環境要因によって大きく制限されます3、4、5。これらのストレスは作物の健康と発育に悪影響を及ぼし、最終的には作物の収量の減少につながる可能性があります6。さらに、限られた淡水資源は作物の灌漑に深刻な影響を及ぼし、地球規模の気候変動により必然的に耕作可能な土地の面積が減少し、熱波などの現象により作物の生産性が低下します7,8。サウジアラビアを含む世界の多くの地域で高温が一般的です。生物刺激剤または植物成長調節剤 (PGR) の使用は、成長サイクルを短縮し、収量を最大化するのに有益です。これにより、作物の回復力が向上し、植物が不利な生育条件に対処できるようになります9。この点において、生物刺激剤と植物成長調節剤を最適な濃度で使用すると、植物の成長と生産性を向上させることができます10,11。
カロテノイドはテトラテルペノイドであり、植物ホルモンであるアブシジン酸 (ABA) およびストリゴラクトン (SL) 12,13,14 のほか、最近発見された成長調節因子であるザキシノン、アノレン、およびシクロシトラール 15,16,17,18,19 の前駆体としても機能します。しかし、カロテノイド誘導体を含む実際の代謝産物のほとんどは、天然源が限られている、および/または不安定であるため、この分野への直接の応用は困難です。したがって、過去数年にわたって、いくつかの ABA および SL 類似体/模倣物が農業用途向けに開発およびテストされてきました 20、21、22、23、24、25。同様に、我々は最近、イネの根の糖代謝を強化し、SL恒常性を調節することによって効果を発揮する可能性がある成長促進代謝産物であるザキシノン（MiZax）の模倣物を開発しました19,26。ザキシノン 3 (MiZax3) および MiZax5 の模倣物 (図 1A に示す化学構造) は、水耕栽培および土壌中で栽培された野生型イネにおいてザキシノンに匹敵する生物活性を示しました 26。さらに、トマト、ナツメヤシ、ピーマン、カボチャをザキシノン、MiZax3 および MiZx5 で処理すると、温室および露地の条件下で植物の成長と生産性、つまりコショウの収量と品質が向上し、生物刺激剤としての役割と PGR27 の使用が示されました。 。興味深いことに、MiZax3 と MiZax5 は、高塩分条件下で栽培されたピーマンの耐塩性も改善し、MiZax3 は亜鉛を含む金属有機フレームワークでカプセル化された場合、果物の亜鉛含有量を増加させました 7,28。
(A) MiZax3 と MiZax5 の化学構造。 (B) 露地条件下でのジャガイモ植物に対する 5 μM および 10 μM の濃度の MZ3 および MZ5 の葉面散布の効果。実験は 2021 年に行われます。データは平均値 ± SD として表示されます。 n≧15。統計分析は、一元配置分散分析 (ANOVA) および Tukey の事後検定を使用して実行されました。アスタリスクは、シミュレーションと比較した統計的に有意な差を示します (*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001、****p < 0.0001; ns、有意ではありません)。 HA – フミン酸。 MZ3、MiZax3、MiZax5; HA – フミン酸。 MZ3、MiZax3、MiZax5;
この研究では、MiZax (MiZax3 および MiZax5) を 3 つの葉面濃度 (2021 年には 5 μM および 10 μM、2022 年には 2.5 μM および 5 μM) で評価し、ジャガイモ (Solanum tuberosum L) と比較しました。市販の成長調節剤であるフミン酸（HA）は、2021年と2022年のイチゴ温室試験と、典型的な砂漠気候地域であるサウジアラビア王国での4件の圃場試験でイチゴ（Fragaria ananassa）と比較された。 HA は、土壌中の栄養素の利用可能性を高め、ホルモン恒常性を調節することによって作物の成長を促進するなど、多くの有益な効果を持つ広く使用されている生物刺激剤ですが、我々の結果は、MiZax が HA よりも優れていることを示しています。
ダイヤモンド品種のジャガイモ塊茎は、サウジアラビア、ジェッダの Jabbar Nasser Al Bishi Trading Company から購入しました。 2 つのイチゴ品種「スイート チャーリー」と「フェスティバル」の苗木とフミン酸は、サウジアラビア、リヤドの Modern Agritech Company から購入しました。この研究で使用されているすべての植物材料は、絶滅危惧種に関する研究に関する IUCN 政策声明および野生動植物の絶滅危惧種の取引に関する条約に準拠しています。
実験場所はサウジアラビアのハダ・アル・シャム（北緯21度48分3秒、東経39度43分25秒）にあります。土壌は砂質ローム、pH 7.8、EC 1.79 dcm-130 です。土壌の特性を補足表S1に示します。
本葉段階のイチゴ（Fragaria x ananassa D. var. Festival）苗木 3 株を 3 つのグループに分け、10 μM MiZax3 および MiZax5 の葉面散布が温室条件下での成長特性と開花時期に及ぼす影響を評価しました。モデリング処理として、葉に水（0.1% アセトンを含む）を噴霧する処理を使用しました。 MiZax 葉面散布剤を 1 週間間隔で 7 回散布しました。 2 つの独立した実験が、それぞれ 2021 年 9 月 15 日と 28 日に実施されました。各化合物の開始用量は50 mlであり、その後徐々に最終用量250 mlまで増加します。 2 週間連続して、開花植物の数を毎日記録し、4 週目の初めに開花率を計算しました。成長形質を決定するために、葉の数、植物の新鮮および乾燥重量、総葉面積、および植物あたりの匍匐茎の数を、成長期の終わりと生殖期の初めに測定しました。葉面積計を使用して葉の面積を測定し、新鮮なサンプルを100℃のオーブンで48時間乾燥させました。
早耕と遅耕という 2 つの圃場試験が実施されました。 「ディアマント」品種のジャガイモ塊茎は11月と2月に植えられ、それぞれ早生と晩生の時期を迎えます。生体刺激物質 (MiZax-3 および -5) は、5.0 および 10.0 μM (2021 年)、および 2.5 および 5.0 μM (2022 年) の濃度で使用されます。フミン酸 (HA) 1 g/l を週 8 回スプレーします。水またはアセトンを陰性対照として使用した。フィールドテスト設計を(補足図S1)に示します。野外実験には敷地面積2.5m×3.0mのランダム化完全ブロック設計（RCBD）を使用した。各処理を独立した反復として 3 回繰り返しました。各プロット間の距離は 1.0 m、各ブロック間の距離は 2.0 m です。株間の距離は0.6m、列間の距離は1mです。ジャガイモ植物には、スポイトごとに 3.4 リットルの割合で点滴により毎日灌漑しました。このシステムは 1 日 2 回、毎回 10 分間稼働して植物に水を供給します。干ばつ条件下でジャガイモを栽培するために推奨されるすべての農業技術法が適用されました31。植え付けから 4 か月後、標準的な技術を使用して、植物の高さ (cm)、植物あたりの枝の数、ジャガイモの組成と収量、および塊茎の品質を測定しました。
2 つのイチゴ品種 (スイート チャーリーとフェスティバル) の苗木が圃場条件下でテストされました。生体刺激物質 (MiZax-3 および -5) は、5.0 および 10.0 μM (2021) および 2.5 および 5.0 μM (2022) の濃度で週 8 回、葉面散布として使用されました。 MiZax-3 および -5 と並行して葉面スプレーとして 1 リットルあたり 1 g の HA を使用し、陰性対照として H2O 対照混合物またはアセトンを使用します。イチゴの苗木は、11月初旬に2.5×3mの区画に株間0.6m、条間1mで植えられました。実験は RCBD で実施され、3 回繰り返されました。 0.6m間隔で3.4Lの容量を持つドリッパーを備えた点滴灌漑システムを使用して、毎日7時と17時に10分間植物に水を与えました。農業技術成分と収量パラメータは生育期中に測定されました。 TSS (%)、ビタミン C32、酸度、総フェノール化合物 33 を含む果物の品質は、キング アブドゥルアズィズ大学の収穫後生理学および技術研究所で評価されました。
データは平均として表され、変動は標準偏差として表されます。統計的有意性は、一元配置分散分析 (one-way ANOVA) または p < 0.05 の確率レベルを使用した Tukey の多重比較検定を使用した二元配置分散分析、または有意差を検出するための両側スチューデント t 検定を使用して決定されました (*p < 0.05) 、* *p < 0.01、***p < 0.001、****p < 0.0001)。すべての統計的解釈は、GraphPad Prism バージョン 8.3.0 を使用して実行されました。関連性は、R パッケージ 34 を使用した多変量統計手法である主成分分析 (PCA) を使用してテストされました。
以前のレポートでは、園芸植物における 5 および 10 μM 濃度での MiZax の成長促進活性を実証し、土壌植物アッセイ (SPAD) のクロロフィル指標を改善しました 27。これらの結果に基づいて、私たちは同じ濃度を使用して、2021年の砂漠気候における圃場試験で、世界的に重要な食用作物であるジャガイモに対するMiZaxの効果を評価しました。特に、MiZaxがデンプンの蓄積を増加させることができるかどうかをテストすることに興味がありました。 、光合成の最終産物。全体として、MiZax の適用はフミン酸 (HA) と比較してジャガイモ植物の成長を改善し、その結果、植物の高さ、バイオマス、および枝の数が増加しました (図 1B)。さらに、5 μM MiZax3 および MiZax5 は、10 μM と比較して、植物の高さ、枝の数、植物バイオマスの増加に対してより強い効果があることを観察しました (図 1B)。 MiZax は成長の改善に加えて、収穫された塊茎の数と重量で測定される収量も増加しました。 MiZax を 10 μM の濃度で投与した場合、全体的な有益な効果はそれほど顕著ではなかったことから、これらの化合物はこれより低い濃度で投与すべきであることが示唆されました (図 1B)。さらに、アセトン（モック）処理と水（対照）処理の間で記録されたすべてのパラメーターに差は観察されず、観察された成長調節効果が溶媒によって引き起こされたものではないことを示唆しており、これは我々の以前の報告と一致しています27。
サウジアラビアのジャガイモの生育期は早熟と晩熟で構成されているため、オープンフィールドの季節的影響を評価するために、2022年に低濃度（2.5および5μM）を2シーズンにわたって使用して2回目の現地調査を実施しました（補足図S2A）。予想通り、5 μM MiZax の両方の適用は、最初の試験と同様の成長促進効果、つまり植物の高さの増加、分岐の増加、バイオマスの増加、塊茎数の増加をもたらしました（図2;補足図S3）。重要なのは、これらの PGR の有意な効果が 2.5 μM の濃度で観察されたのに対し、GA 処理では予測された効果が示されなかったことです。この結果は、MiZax が予想よりも低い濃度でも使用できることを示唆しています。さらに、MiZax の適用により、塊茎の長さと幅も増加しました (補足図 S2B)。また、塊茎重量の大幅な増加も見つかりましたが、2.5 μM 濃度は両方の植え付け期にのみ適用されました。
2022 年に実施された、KAU 畑の早生ジャガイモ植物に対する MiZax の影響の植物表現型評価。データは平均 ± 標準偏差を表します。 n≧15。統計分析は、一元配置分散分析 (ANOVA) および Tukey の事後検定を使用して実行されました。アスタリスクは、シミュレーションと比較した統計的に有意な差を示します (*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001、****p < 0.0001; ns、有意ではありません)。 HA – フミン酸。 MZ3、MiZax3、MiZax5; HA – フミン酸。 MZ3、MiZax3、MiZax5;
治療 (T) と年 (Y) の効果をより深く理解するために、二元配置分散分析を使用してそれらの相互作用 (T x Y) を調べました。すべての生物刺激剤 (T) はジャガイモの草丈とバイオマスを有意に増加させましたが、MiZax3 と MiZax5 だけが塊茎の数と重量を有意に増加させました。これは、2 つの MiZax に対するジャガイモ塊茎の双方向応答が本質的に類似していることを示しています (図 3))。さらに、シーズンの初めには、天気 (https://www.timeanddate.com/weather/saudi-arabia/jeddah/climate) が暑くなります (平均気温 28 °C、湿度 52% (2022 年))。全体的な塊茎バイオマス（図2;補足図S3）。
ジャガイモに対する 5 μm 処理 (T)、年 (Y)、およびそれらの相互作用 (T x Y) の影響を研究します。データは平均値 ± 標準偏差を表します。 n ≥ 30。統計分析は二元配置分散分析 (ANOVA) を使用して実行されました。アスタリスクは、シミュレーションと比較した統計的に有意な差を示します (*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001、****p < 0.0001; ns、有意ではありません)。 HA – フミン酸。 MZ3、MiZax3、MiZax5;
しかし、Myzax 処理は依然として晩生植物の成長を刺激する傾向がありました。全体として、私たちの 3 つの独立した実験は、MiZax の適用が枝の数を増やすことによって植物の構造に重大な影響を与えることを疑いの余地なく示しました。実際、MiZax 処理後の分岐数に対して (T) と (Y) の間に有意な二元交互作用効果がありました (図 3)。この結果は、ストリゴラクトン (SL) 生合成の負の調節因子としてのそれらの活性と一致しています 26。さらに、我々は、ザキシノン処理がイネの根にデンプンの蓄積を引き起こすことを以前に示しました35。これは、塊茎が主にデンプンで構成されているため、MiZax 処理後のジャガイモ塊茎のサイズと重量の増加を説明できる可能性があります。
果樹作物は重要な経済植物です。イチゴは干ばつや高温などの非生物的ストレス条件に敏感です。そこで、イチゴの葉面散布によるミザックスの影響を調査しました。まず、イチゴの成長に対するその効果を評価するために、MiZax を 10 μM の濃度で提供しました (品種フェスティバル)。興味深いことに、MiZax3は分枝の増加に対応する匍匐茎の数を大幅に増加させたのに対し、MiZax5は温室条件下で開花率、植物バイオマス、葉面積を改善したことを観察し(補足図S4)、これら2つの化合物が生物学的に異なる可能性があることを示唆しています。イベント26、27。実際の農業条件下でのイチゴへの影響をさらに理解するために、2021年に半砂質土壌で栽培されたイチゴ植物（品種：スイートチャーリー）に5μMおよび10μMのMiZaxを適用する野外試験を実施しました（図S5A）。 GC と比較して、植物バイオマスの増加は観察されませんでしたが、果実の数が増加する傾向が見られました (図 C6A-B)。ただし、MiZax の適用は単一果実重量の大幅な増加をもたらし、濃度依存性を示唆し (補足図 S5B; 補足図 S6B)、砂漠条件下で適用した場合のイチゴ果実の品質に対するこれらの植物成長調節剤の影響を示しています。影響。
成長促進効果が品種の種類に依存するかどうかを理解するために、我々はサウジアラビアで市販されているイチゴ品種2品種（スイートチャーリーとフェスティバル）を選択し、2022年に低濃度のMiZax（2.5μMと5μM）を使用して2回の圃場研究を実施した。スイートチャーリーの場合、果実の総数は大幅に増加しませんでしたが、果実バイオマスは一般に MiZax で処理した植物の方が高く、MiZax3 処理後にプロットあたりの果実の数が増加しました (図 4)。これらのデータは、MiZax3 と MiZax5 の生物学的活性が異なる可能性をさらに示唆しています。さらに、Myzax で処理した後、植物の生乾重量の増加、および植物の新芽の長さの増加が観察されました。匍匐茎と新しい植物の数に関しては、5 μM MiZax でのみ増加が見られました (図 4)。これは、最適な MiZax 調整が植物種に依存することを示しています。
2022年に実施されたKAU畑の植物構造とイチゴ収量（スイートチャーリー品種）に対するMiZaxの効果。データは平均±標準偏差を表す。 n ≥ 15 ですが、プロットあたりの果実の数は、3 つのプロットの 15 個の植物から平均して計算されました (n = 3)。統計分析は、一元配置分散分析 (ANOVA) および Tukey の事後検定または両側スチューデント t 検定を使用して実行されました。アスタリスクは、シミュレーションと比較した統計的に有意な差を示します (*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001、****p < 0.0001; ns、有意ではありません)。 HA – フミン酸。 MZ3、MiZax3、MiZax5;
また、フェスティバル品種のイチゴでも、果実重量と植物バイオマスに関連して同様の成長刺激活性が観察されました（図5）が、植物ごとまたはプロットごとの果実の総数には有意な差は見つかりませんでした（図5）。 5); 。興味深いことに、MiZax の適用により植物の長さと匍匐茎の数が増加し、これらの植物成長調節剤が果樹作物の成長を改善するために使用できることが示されました (図 5)。さらに、野外から収集した2つの品種の果実の品質を理解するためにいくつかの生化学的パラメーターを測定しましたが、すべての処理間で差異は得られませんでした（補足図S7;補足図S8）。
KAU 畑（フェスティバル品種）における植物の構造とイチゴの収量に対する MiZax の効果、2022 年。データは平均 ± 標準偏差です。 n ≥ 15 ですが、プロットあたりの果実の数は、3 つのプロットの 15 個の植物から平均して計算されました (n = 3)。統計分析は、一元配置分散分析 (ANOVA) および Tukey の事後検定または両側スチューデント t 検定を使用して実行されました。アスタリスクは、シミュレーションと比較した統計的に有意な差を示します (*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001、****p < 0.0001; ns、有意ではありません)。 HA – フミン酸。 MZ3、MiZax3、MiZax5;
イチゴに関する私たちの研究では、MiZax3 と MiZax5 の生物活性が異なることが判明しました。まず、二元配置分散分析を使用して同じ品種 (スイート チャーリー) に対する処理 (T) と年 (Y) の効果を調べ、それらの相互作用 (T x Y) を決定しました。したがって、GA はイチゴ品種 (スイート チャーリー) に影響を与えませんでしたが、5 μM MiZax3 と MiZax5 は植物と果実のバイオマスを大幅に増加させました (図 6)。これは、2 つの MiZax の双方向相互作用がイチゴの促進において非常に類似していることを示しています。 。作物生産
イチゴ (cv. Sweet Charlie) に対する 5 μM 処理 (T)、年 (Y)、およびそれらの相互作用 (T x Y) の効果を評価します。データは平均値 ± 標準偏差を表します。 n ≥ 30。統計分析は二元配置分散分析 (ANOVA) を使用して実行されました。アスタリスクは、シミュレーションと比較した統計的に有意な差を示します (*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001、****p < 0.0001; ns、有意ではありません)。 HA – フミン酸。 MZ3、MiZax3、MiZax5;
さらに、2 つの品種に対する MiZax 活性がわずかに異なることを考慮して (図 4、図 5)、処理 (T) と 2 つの品種 (C) を比較する二元配置分散分析を実行しました。まず、処理はプロットごとの果実数に影響を与えませんでした（図 7）。これは、（T x C）間に有意な相互作用がないことを示し、MiZax も HA も総果実数に寄与しないことを示唆しています。対照的に、MiZax（HAではなく）は、植物重量、果実重量、匍匐茎および新しい植物を有意に増加させ（図7）、MiZax3およびMiZax5がさまざまなイチゴ植物品種の成長を有意に促進することを示しています。二元配置分散分析 (T x Y) および (T x C) に基づいて、圃場条件下での MiZax3 と MiZax5 の成長促進活性は非常に類似しており、一貫していると結論付けることができます。
5 μM (T)、2 品種 (C) およびそれらの相互作用 (T x C) によるイチゴ処理の評価。データは平均値 ± 標準偏差を表します。 n ≥ 30 ですが、プロットあたりの果実の数は、3 つのプロットの 15 個の植物から平均して計算されました (n = 6)。統計分析は、二元配置分散分析 (ANOVA) を使用して実行されました。アスタリスクは、シミュレーションと比較した統計的に有意な差を示します (*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001、****p < 0.0001; ns、有意ではありません)。 HA – フミン酸。 MZ3、MiZax3、MiZax5;
最後に、主成分分析 (PCA) を使用して、ジャガイモ (T x Y) およびイチゴ (T x C) に対する適用化合物の影響を評価しました。これらの図は、HA 処理がジャガイモのアセトンやイチゴの水に似ていることを示し (図 8)、植物の成長に対するプラスの効果が比較的小さいことを示しています。興味深いことに、MiZax3 と MiZax5 の全体的な効果はジャガイモでは同じ分布を示しましたが (図 8A)、イチゴではこれら 2 つの化合物の分布は異なっていました (図 8B)。 MiZax3 と MiZax5 は植物の成長と収量において主に正の分布を示しましたが、PCA 分析は成長調節活性が植物種にも依存する可能性があることを示しました。
(A) ジャガイモ (T x Y) と (B) イチゴ (T x C) の主成分分析 (PCA)。両方のグループのスコア プロット。各コンポーネントを接続する線はクラスターの中心につながります。
要約すると、2 つの高価値作物に関する当社の 5 つの独立した野外調査に基づき、2020 年から 2022 年までの当社の以前のレポートと一致しており、MiZax3 と MiZax5 は、植物の成長と収量を向上させることができる有望な植物成長調節剤です。 、穀物、木本植物（ナツメヤシ）、園芸果実作物を含む26,27。生物学的活性を超える分子機構は依然として解明されていませんが、現場での応用には大きな可能性を秘めています。何よりも、フミン酸と比較して、MiZax ははるかに少量 (マイクロモルまたはミリグラムレベル) で適用され、プラスの効果がより顕著です。したがって、散布ごとの MiZax3 の用量 (低濃度から高濃度まで) は 3、6 または 12 g/ha、MiZx5 の用量は 4、7 または 13 g/ha と推定され、これらの PGR は作物収量の向上に役立ちます。 。かなり実行可能です。
投稿日時: 2024 年 7 月 29 日