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る。有望な解決策の一つは、植物成長調節剤（植物成長調節剤）は、作物の収量を増やし、砂漠気候などの生育に適さない条件を克服するために使用されています。近年、カロテノイドであるザキシノンとその類似体2種（MiZax3およびMiZax5）は、温室および圃場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示しています。ここでは、カンボジアの2つの高価値野菜作物、ジャガイモとサウジアラビア産イチゴの成長と収量に対するMiZax3およびMiZax5の異なる濃度（2021年は5μMおよび10μM、2022年は2.5μMおよび5μM）の影響をさらに調査しました。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の施用により、植物の農業特性、収量構成要素、および全体の収量が有意に改善されました。注目すべきは、MiZaxは、比較のためにここで使用された広く使用されている市販の化合物であるフミン酸よりもはるかに低い用量で使用されていることです。したがって、我々の研究結果は、MiZaxが非常に有望な植物成長調節剤であり、砂漠地帯のような環境下でも比較的低濃度で野菜作物の成長と収量を促進するために使用できることを示している。
国連食糧農業機関（FAO）によると、増加する世界人口を養うためには、2050年までに食料生産システムをほぼ3倍に拡大する必要がある（FAO：世界は2050年までに70％多くの食料を必要とする1）。実際、急速な人口増加、汚染、害虫の移動、そして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する課題である2。この点において、最適とは言えない条件下で農作物の総収量を増やすことは、この差し迫った問題に対する紛れもない解決策の1つである。しかし、植物の成長と発達は主に土壌中の栄養素の利用可能性に依存しており、干ばつ、塩害、生物的ストレスなどの不利な環境要因によって大きく制約される3,4,5。これらのストレスは作物の健康と発達に悪影響を及ぼし、最終的には作物収量の減少につながる可能性がある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与え、地球規模の気候変動は必然的に耕作地の面積を減少させ、熱波などの事象は作物の生産性を低下させる7,8。サウジアラビアを含む世界の多くの地域では高温が一般的です。バイオスティミュラントや植物成長調節剤（PGR）の使用は、生育サイクルを短縮し、収量を最大化するのに有益です。作物の耐性を向上させ、植物が好ましくない生育条件に対処できるようにします9。この点において、バイオスティミュラントと植物成長調節剤は、植物の成長と生産性を向上させるために最適な濃度で使用できます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）とストリゴラクトン（SL）12,13,14、および最近発見された成長調節物質であるザキシノン、アノレン、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物のほとんどは天然の供給源が限られているか、不安定であるため、この分野での直接的な応用は困難です。そのため、過去数年間で、いくつかのABAおよびSLのアナログ/模倣体が開発され、農業用途でテストされてきました20,21,22,23,24,25。同様に、私たちは最近、イネの根で糖代謝を促進し、SLの恒常性を調節することによって効果を発揮する可能性のある成長促進代謝物であるザキシノンの模倣体（MiZax）を開発しました19,26。ザキシノン3（MiZax3）とMiZax5（化学構造は図1Aに示す）の模倣体は、水耕栽培および土壌栽培の野生型イネにおいて、ザキシノンと同等の生物活性を示した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、MiZax5で処理すると、温室および露地栽培条件下で植物の成長と生産性、すなわちピーマンの収量と品質が向上し、生物刺激剤としての役割と植物成長調節剤（PGR）としての利用が示された27。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向上させ、MiZax3は亜鉛含有金属有機構造体でカプセル化すると果実の亜鉛含有量を増加させた7,28。
(A) MiZax3 および MiZax5 の化学構造。(B) 5 µM および 10 µM の濃度での MZ3 および MZ5 の葉面散布が、露地栽培のジャガイモ植物に及ぼす影響。実験は 2021 年に実施される。データは平均 ± SD で示されている。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た。アスタリスクは、シミュレーションと比較して統計的に有意な差があることを示す (*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001、****p < 0.0001、ns、有意差なし)。HA – フミン酸; MZ3、MiZax3、MiZax5; HA – フミン酸; MZ3、MiZax3、MiZax5;
この研究では、MiZax（MiZax3とMiZax5）を3つの葉面濃度（2021年は5 µMと10 µM、2022年は2.5 µMと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つの圃場試験でイチゴ（Fragaria ananassa）と比較されました。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し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バイオスティミュラントですが、私たちの結果は、MiZaxがHAよりも優れていることを示しています。
ダイヤモンド種のジャガイモの塊茎は、サウジアラビアのジェッダにあるジャバール・ナセル・アル・ビシ貿易会社から購入した。イチゴの2品種「スイート・チャーリー」と「フェスティバル」の苗、および腐植酸は、サウジアラビアのリヤドにあるモダン・アグリテック社から購入した。本研究で使用した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の方針声明および絶滅のおそれのある野生動植物の種の国際取引に関する条約に準拠している。
実験地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）に位置する。土壌は砂壌土で、pHは7.8、ECは1.79 dcm-130である。土壌特性は補足表S1に示されている。
本葉期のイチゴ（Fragaria x ananassa D. var. Festival）実生3本を3つのグループに分け、温室条件下で10 μMのMiZax3とMiZax5を葉面散布した場合の生育特性と開花時期への影響を評価した。葉面散布には、水（0.1%アセトン含有）を用いた。MiZaxの葉面散布は1週間間隔で7回行った。2つの独立した実験は、それぞれ2021年9月15日と28日に実施した。各化合物の開始用量は50 mlで、徐々に増加させて最終用量を250 mlとした。2週間連続で、開花植物の数を毎日記録し、4週目の初めに開花率を算出した。生育特性を決定するために、生育期の終わりと生殖期の初めに、葉数、植物の生重量と乾燥重量、総葉面積、植物あたりの匍匐茎数を測定した。葉面積は葉面積計を用いて測定し、採取した新鮮なサンプルを100℃のオーブンで48時間乾燥させた。
2 つの圃場試験を実施しました。早期耕起と後期耕起です。「ディアマント」品種のジャガイモ塊茎を、それぞれ早熟期と晩熟期の 11 月と 2 月に植え付けます。バイオスティミュラント (MiZax-3 および -5) を 5.0 および 10.0 µM (2021 年) と 2.5 および 5.0 µM (2022 年) の濃度で使用します。フミン酸 (HA) 1 g/l を週 8 回散布します。ネガティブ コントロールとして水またはアセトンを使用しました。圃場試験の設計は (補足図 S1) に示されています。圃場実験は、2.5 m × 3.0 m の区画面積を持つランダム化完全ブロック設計 (RCBD) を使用して実施しました。各処理は独立した反復として 3 回繰り返されました。各区画間の距離は 1.0 m、各ブロック間の距離は 2.0 m です。植物間の距離は 0.6 m、列間の距離は 1 m です。ジャガイモの植物には、1 滴下あたり 3.4 リットルの割合で毎日点滴灌漑が行われた。このシステムは 1 日 2 回、1 回 10 分間作動し、植物に水を供給する。干ばつ条件下でのジャガイモ栽培に推奨されるすべての農業技術が適用された 31。植え付けから 4 か月後、植物の高さ (cm)、植物あたりの枝数、ジャガイモの組成と収量、および塊茎の品質が標準的な手法を使用して測定された。
イチゴの2品種（スイートチャーリーとフェスティバル）の苗を圃場条件下で試験した。バイオスティミュラント（MiZax-3と-5）を、5.0と10.0 µM（2021年）および2.5と5.0 µM（2022年）の濃度で、週8回葉面散布した。MiZax-3と-5と並行して、1リットルあたり1 gのHAを葉面散布し、H2Oコントロール混合液またはアセトンをネガティブコントロールとして使用した。イチゴの苗は、11月上旬に2.5 x 3 mの区画に、株間0.6 m、条間1 mで植え付けた。実験はRCBDで実施され、3回繰り返された。植物には、0.6 m 間隔で配置された容量 3.4 L の点滴灌漑システムを使用して、毎日 7:00 と 17:00 に 10 分間水やりを行った。栽培期間中に農業技術コンポーネントと収量パラメータを測定した。TSS (%)、ビタミン C32、酸度、総フェノール化合物 33 を含む果実の品質は、キング アブドゥルアジーズ大学の収穫後生理学および技術研究所で評価した。
データは平均値として表され、変動は標準偏差として表されます。統計的有意性は、確率レベル p < 0.05 を使用した一元配置分散分析 (one-way ANOVA) または 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。
以前の報告では、MiZax の 5 μM および 10 μM 濃度での園芸植物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、2021 年に砂漠気候での圃場試験で、世界的に重要な食糧作物であるジャガイモに対する MiZax の効果を評価するために同じ濃度を使用しました。特に、MiZax が光合成の最終産物である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関心がありました。全体として、MiZax の適用は、腐植酸 (HA) と比較してジャガイモ植物の成長を改善し、植物の高さ、バイオマス、および枝数の増加をもたらしました (図 1B)。さらに、5 μM の MiZax3 および MiZax5 は、10 μM と比較して、植物の高さ、枝数、および植物バイオマスの増加に対してより強い効果を示しました (図 1B)。成長の改善に加え、MiZaxは収穫された塊茎の数と重量で測定した収量も増加させた。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ため、これらの化合物はこれより低い濃度で投与する必要があることが示唆された（図1B）。さらに、アセトン（模擬）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が見られなかったことから、観察された成長調節効果は溶媒によって引き起こされたものではないことが示唆され、これは以前の報告27と一致している。
サウジアラビアのジャガイモ栽培シーズンは早熟期と晩熟期から成るため、2022年に2回目の圃場試験を実施し、2シーズンにわたって低濃度（2.5 µMと5 µM）を使用して露地栽培の季節的影響を評価した（補足図S2A）。予想通り、5 μMのMiZaxを両方とも施用すると、最初の試験と同様に、植物の高さ、枝分かれ、バイオマス、塊茎数の増加といった成長促進効果が得られた（図2、補足図S3）。重要なことに、これらのPGRは2.5 μMの濃度で有意な効果を示したが、GA処理では予測された効果は示さなかった。この結果は、MiZaxは予想よりも低い濃度でも使用できることを示唆している。さらに、MiZaxの施用により塊茎の長さと幅も増加した（補足図S2B）。また、塊茎重量の有意な増加も確認したが、2.5 µMの濃度は両方の植え付けシーズンでのみ適用された。
2022 年に KAU 圃場における MiZax が早生ジャガイモ植物に及ぼす影響の植物表現型評価。データは平均 ± 標準偏差を表す。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した。アスタリスクは、シミュレーションと比較して統計的に有意な差があることを示す (*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001、****p < 0.0001、ns、有意差なし)。HA – フミン酸; MZ3、MiZax3、MiZax5; HA – フミン酸; MZ3、MiZax3、MiZax5;
処理（T）と年（Y）の影響をよりよく理解するために、2要因ANOVAを使用してそれらの相互作用（T x Y）を調べました。すべてのバイオスティミュラント（T）はジャガイモの植物の高さとバイオマスを有意に増加させましたが、塊茎の数と重量を有意に増加させたのはMiZax3とMiZax5のみであり、2つのMiZaxに対するジャガイモ塊茎の双方向の反応は基本的に同じであ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候（https://www.timeanddate.com/weather/saudi-arabia/jeddah/climate）が暑くなり（平均28℃、湿度52%（2022年））、塊茎のバイオマス全体が有意に減少します（図2、補足図S3）。
5 µm 処理 (T)、年 (Y)、およびそれらの相互作用 (T x Y) がジャガイモに及ぼす影響を研究します。データは平均 ± 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て統計的に有意な差があることを示します (*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001、****p < 0.0001、ns、有意差なし)。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促進する傾向がありました。全体として、我々の3つの独立した実験は、MiZaxの適用が枝数の増加によって植物構造に大きな効果をもたらすことを疑いなく示しました。実際、MiZax処理後の枝数に関して、（T）と（Y）の間に有意な双方向相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活性と一致しています26。さらに、我々は以前に、Zaxinone処理がイネの根にデンプンを蓄積させることを示しました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。
果樹は重要な経済作物です。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、葉に散布してイチゴに対するMiZaxの効果を調査しました。まず、イチゴの成長（品種Festival）に対する効果を評価するために、10 µMの濃度でMiZaxを与えました。興味深いことに、MiZax3はストロンの数を大幅に増加させ、これは分岐の増加に対応し、一方MiZax5は温室条件下で開花率、植物バイオマス、葉面積を改善しました（補足図S4）。これは、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に対する効果をさらに理解するために、2021年に半砂質土壌で栽培したイチゴ（品種Sweet Charlie）に5および10 μMのMiZaxを適用する圃場試験を実施しました（図S5A）。 GCと比較すると、植物バイオマスの増加は観察されませんでしたが、果実数の増加傾向が見られました（図C6A-B）。しかし、MiZaxの施用により、果実1個あたりの重量が大幅に増加し、濃度依存性が示唆されました（補足図S5B、補足図S6B）。これは、砂漠条件下で施用した場合のこれらの植物成長調節剤がイチゴの果実品質に影響を与えることを示しています。
生育促進効果が品種によって異なるかどうかを理解するために、サウジアラビアで市販されているイチゴの品種2種（Sweet CharlieとFestival）を選び、2022年に低濃度のMiZax（2.5および5 µM）を用いた2つの圃場試験を実施した。Sweet Charlieでは、総果実数は有意に増加しなかったものの、果実バイオマスはMiZax処理した植物で一般的に高く、区画当たりの果実数はMiZax3処理後に増加した（図4）。これらのデータは、MiZax3とMiZax5の生物活性が異なる可能性を示唆している。さらに、Myzax処理後、植物の生重量と乾燥重量、および植物のシュートの長さが増加した。匍匐茎と新植物の数については、5 μMのMiZaxでのみ増加が見られ（図4）、最適なMiZaxの調整は植物種によって異なることが示された。
2022年に実施されたKAU圃場におけるMiZaxが植物構造とイチゴ収量（スイートチャーリー品種）に及ぼす影響。データは平均値±標準偏差を表す。n ≥ 15だが、区画あたりの果実数は3区画（n = 3）の15株の平均から計算した。統計分析は、一元配置分散分析（ANOVA）とTukeyの事後検定または両側スチューデントt検定を使用して実施した。アスタリスクは、シミュレーションと比較して統計的に有意な差があることを示す（*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001、****p < 0.0001、ns、有意差なし）。HA – フミン酸、MZ3、MiZax3、MiZax5。
また、Festival 品種のイチゴの果実重量と植物バイオマスに関して同様の成長促進活性が観察されました (図 5)。ただし、植物または区画あたりの果実の総数には有意な差は見られませんでした (図 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、圃場から採取した 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は得られませんでした (補足図 S7、補足図 S8)。
2022 年、KAU 圃場 (Festival 品種) における MiZax が植物構造とイチゴ収量に及ぼす影響。データは平均値 ± 標準偏差です。n ≥ 15 ですが、区画あたりの果実数は 3 つの区画 (n = 3) の 15 株から平均して計算しました。統計分析は、一元配置分散分析 (ANOVA) と Tukey の事後検定または両側 Student's t 検定を使用して実施しました。アスタリスクは、シミュレーションと比較して統計的に有意な差があることを示します (*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001、****p < 0.0001、ns、有意差なし)。HA – フミン酸; MZ3、MiZax3、MiZax5;
イチゴに関する研究において、MiZax3とMiZax5の生物活性は異なることが明らかになった。まず、二元配置分散分析を用いて、同一品種（Sweet Charlie）に対する処理（T）と年（Y）の影響を調べ、それらの相互作用（T×Y）を決定した。その結果、GAはイチゴ品種（Sweet Charlie）に影響を与えなかったが、5 μMのMiZax3とMiZax5は植物体と果実のバイオマスを著しく増加させた（図6）。これは、イチゴの作物生産促進において、2つのMiZaxの二元相互作用が非常に類似していることを示している。
イチゴ（品種：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）の影響を評価します。データは平均 ± 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て統計的に有意な差があることを示します（*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001、****p < 0.0001、ns、有意差なし）。HA – フミン酸; MZ3、MiZax3、MiZax5;
さらに、2つの品種に対するMiZaxの活性がわずかに異なっていたため（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施しました。まず、どの処理も区画あたりの果実数に影響を与えなかったため（図7）、（T x C）間に有意な相互作用がないことが示され、MiZaxもHAも総果実数に寄与していないことが示唆されました。対照的に、MiZax（HAではない）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たため（図7）、MiZax3とMiZax5は異なるイチゴ植物品種の成長を有意に促進することが示されました。二元配置分散分析（T x Y）と（T x C）に基づいて、圃場条件下における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。
イチゴの処理を 5 µM (T)、2 品種 (C) およびそれらの相互作用 (T x C) で評価します。データは平均 ± 標準偏差を表します。n ≥ 30 ですが、区画あたりの果実数は 3 つの区画 (n = 6) の 15 株から平均して計算しました。統計分析は、2 元配置分散分析 (ANOVA) を使用して実行しました。アスタリスクは、シミュレーションと比較して統計的に有意な差があることを示します (*p < 0.05、**p < 0.01、***p < 0.001、****p < 0.0001、ns、有意差なし)。HA – フミン酸; MZ3、MiZax3、MiZax5;
最後に、主成分分析（PCA）を用いて、ジャガイモ（T x Y）とイチゴ（T x C）に対する適用化合物の効果を評価した。これらの図は、HA処理がジャガイモではアセトン、イチゴでは水と類似していることを示しており（図8）、植物の成長に対する比較的小さな正の効果を示している。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たが、PCA分析は、成長調節活性は植物種によっても異なる可能性があることを示している。
（A）ジャガイモ（T x Y）と（B）イチゴ（T x C）の主成分分析（PCA）。両グループのスコアプロット。各成分を結ぶ線はクラスターの中心を示しています。
要約すると、2つの高価値作物に関する5つの独立したフィールド試験に基づき、2020年から2022年までの以前の報告26,27と一致して、MiZax3とMiZax5は、穀物、木本植物（ナツメヤシ）、園芸果樹作物26,27を含む植物の成長と収量を改善できる有望な植物成長調節剤です。生物学的活性を超えた分子メカニズムは依然として不明ですが、フィールドでの応用には大きな可能性があります。何よりも、フミン酸と比較して、MiZaxははるかに少ない量（マイクロモルまたはミリグラムレベル）で適用され、プラスの効果はより顕著です。したがって、1回の適用あたりのMiZax3の投与量（低濃度から高濃度まで）：3、6、または12 g/ha、MiZax5の投与量：4、7、または13 g/haと推定され、これらのPGRは作物の収量を改善するのに役立ちます。十分に実現可能です。
投稿日時：2024年7月29日
