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、植物成長調整剤（PGR）を使用して作物の収量を増やし、砂漠気候などの不利な生育条件を克服しています。最近、カロテノイドのザキシノンとその類似体2つ（MiZax3とMiZax5）は、温室および圃場条件下での穀類と野菜作物の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種類の高価値野菜であるジャガイモとイチゴの生育と収量に対する、異なる濃度のMiZax3とMiZax5（2021年には5μMと10μM、2022年には2.5μMと5μM）の影響をさらに調査しました。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の施用により、植物の農業特性、収量構成要素、および総収量が大幅に改善されました。MiZaxは、（比較のためにここで使用した広く使用されている市販の化合物）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は注目に値します。したがって、私たちの結果は、MiZax が砂漠環境下でも比較的低濃度でも野菜作物の成長と収穫を刺激するために使用できる、非常に有望な植物成長調整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ります（FAO：世界は2050年までに70%増の食料を必要とする1）。実際、急速な人口増加、汚染、害虫の蔓延、そして特に気候変動による高温と干ばつは、いずれも世界の食料安全保障が直面する課題です2。この点において、最適とは言えない条件下での農作物の総収量の増加は、この差し迫った問題に対する紛れもない解決策の一つです。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ており、干ばつ、塩分、生物的ストレスといった悪環境要因によって著しく制約されます3,4,5。これらのストレスは作物の健全性と発育に悪影響を及ぼし、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与え、地球規模の気候変動は耕作地面積の減少を必然的に招き、熱波などの現象は作物の生産性を低下させます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（生物刺激剤）または植物成長調整剤（PGR）の使用は、作物の生育サイクルを短縮し、収量を増加させるのに役立ちます。これにより、作物の耐性が向上し、植物が不利な生育条件に適応できるようになります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整剤は、最適な濃度で使用することで、植物の生育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）やストリゴラクトン（SL）12,13,14、そして近年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の前駆体としても作用します。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、天然由来の供給源が限られていたり、不安定であったりするため、この分野への直接的な応用は困難です。そのため、ここ数年にわたり、ABAおよびSLの類似体／模倣体が開発され、農業用途への応用が検討されてきました20,21,22,23,24,25。同様に、我々は最近、イネの根における糖代謝を促進し、SL恒常性を調節することで効果を発揮すると考えられ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 の模倣体 (MiZax3) および MiZax5 (化学構造は図 1A に示す) は、水耕栽培および土壌で栽培された野生型のイネにおいて、ザキシノンに匹敵する生物活性を示した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、MiZx5 で処理すると、温室および露地条件下での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、これらが生物刺激剤として機能し、PGR として使用されていることが示された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 を亜鉛含有金属有機構造体でカプセル化すると、果実の亜鉛含有量が増加した7,28。
(A) MiZax3およびMiZax5の化学構造。(B) 濃度5 µMおよび10 µMのMZ3およびMZ5の葉面散布が露地条件下でジャガイモ植物に及ぼす影響。実験は2021年に実施される予定。データは平均±SDとして提示。n≥15。統計解析は、一元配置分散分析（ANOVA）およびTukeyの事後検定を用いて実施された。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、MZ5、MiZax5。HA – フミン酸、MZ3、MiZax3、MZ5、MiZax5。
本研究では、MiZax（MiZax3およびMiZax5）を3段階の葉面濃度（2021年には5µMおよび10µM、2022年には2.5µMおよび5µM）で評価し、ジャガイモ（Solanum tuberosum L）と比較しました。市販の成長調整剤であるフミン酸（HA）は、2021年と2022年にイチゴ温室試験、および典型的な砂漠気候地域であるサウジアラビア王国における4つの圃場試験において、イチゴ（Fragaria ananassa）と比較されました。HAは、土壌養分の利用率向上やホルモン恒常性の調節による作物の生育促進など、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、本研究の結果は、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、ジッダのジャバー・ナセル・アル・ビシ・トレーディング・カンパニーから購入しました。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、リヤドのモダン・アグリテック・カンパニーから購入しました。本研究で使用したすべての植物材料は、IUCN（国際自然保護連合）の絶滅のおそれのある種の研究に関する政策声明および絶滅のおそれのある野生動植物の種の取引に関する条約（COP14）に準拠しています。
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）に位置している。土壌は砂質ロームで、pHは7.8、ECは1.79 dcm-130である。土壌特性は補足表S1に示す。
3つの本葉期にあるイチゴ（Fragaria x ananassa D. var. Festival）の苗を3つのグループに分け、温室条件下での10μM MiZax3およびMiZax5の葉面散布が成長特性と開花時期に与える影響を評価しました。モデル処理として、葉に水（0.1％アセトン含有）を散布しました。MiZax葉面散布は、1週間間隔で7回行いました。2つの独立した実験は、それぞれ2021年9月15日と28日に実施しました。各化合物の初期用量は50 mlで、その後徐々に増量し、最終用量は250 mlにしました。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。成長特性を決定するために、成長期の終わりと生殖期の初めに、葉数、植物の生重と乾燥重、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使用して測定され、新鮮なサンプルはオーブンで100°Cで48時間乾燥されました。
早期耕起と遅期耕起の2つのフィールド試験が実施されました。「Diamant」品種のジャガイモの塊茎を、それぞれ早期および後期の成熟期である11月と2月に植えます。バイオスティミュラント（MiZax-3および-5）は、5.0および10.0 µM（2021年）、2.5および5.0 µM（2022年）の濃度で投与されます。フミン酸（HA）1 g / lを週8回散布します。水またはアセトンは陰性対照として使用されました。フィールドテスト設計は（補足図S1）に示されています。フィールド実験は、プロット領域2.5 m×3.0 mのランダム化完全ブロック設計（RCBD）を使用して実施されました。各処理は、独立した複製として3回繰り返されました。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。株間は0.6m、畝間は1mです。ジャガイモには、スポイト1本あたり3.4リットルの水を毎日点滴灌水しました。システムは1日2回、1回10分間稼働し、ジャガイモに水を供給しました。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31を適用しました。植え付けから4ヶ月後、標準的な方法を用いて、植物の高さ（cm）、植物あたりの分枝数、ジャガイモの構成と収量、および塊茎の品質を測定しました。
2種類のイチゴ品種（スイートチャーリーとフェスティバル）の苗を圃場条件下で試験しました。バイオスティミュラント（MiZax-3および-5）を、5.0 µMおよび10.0 µM（2021年）、2.5 µMおよび5.0 µM（2022年）の濃度で、週8回葉面散布しました。MiZax-3および-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対照混合物またはアセトンを陰性対照として使用しました。イチゴの苗は、11月上旬に2.5 m x 3 mの区画に、株間0.6 m、畝間1 m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。植物には、0.6m間隔で設置された3.4リットル容量の点滴灌漑システムを用いて、毎日午前7時と午後6時に10分間灌水しました。生育期間中、農業技術要素と収量パラメータを測定しました。果実の品質（TSS（％）、ビタミンC32、酸度、総フェノール含有量33）は、キング・アブドゥルアズィーズ大学収穫後生理学・技術研究所で評価しました。
データは平均値として、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（一元配置分散分析）または二元配置分散分析を用いて決定されました。二元配置分散分析では、Tukeyの多重比較検定（確率水準p < 0.05）または両側スチューデントt検定を用いて有意差を検出しました（*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を用いて実施しました。相関性は、Rパッケージ34を用いた多変量統計手法である主成分分析（PCA）を用いて検定されました。
前回の報告では、MiZaxが園芸植物において5μMと10μMの濃度で成長促進活性を示し、土壌植物検定（SPAD）27におけるクロロフィル指標を改善することを実証しました。これらの結果に基づき、2021年に砂漠気候における圃場試験で、同じ濃度を用いて、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が光合成の最終産物であるデンプンの蓄積を増加させるかどうかを試験することに興味がありました。全体として、MiZaxの施用はフミン酸（HA）と比較してジャガイモ植物の成長を改善し、植物の高さ、バイオマス、および分枝数の増加をもたらしました（図1B）。さらに、5μMのMiZax3およびMiZax5は、10μMと比較して、植物の高さ、分枝数、および植物バイオマスの増加に強い効果があることを観察しました（図1B）。 MiZaxは生育の改善に加え、収穫された塊茎の数と重量で測定された収量も増加させました。MiZaxを10μM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ありませんでした。これは、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を示唆しています（図1B）。さらに、アセトン（模擬）と水（対照）の処理では、記録されたすべてのパラメータに差が見られなかったことから、観察された生育調節効果は溶媒によるものではないことが示唆され、これは以前の報告27と一致しています。
サウジアラビアのジャガイモ栽培期は早熟と晩熟があることから、露地栽培の季節的影響を評価するため、2022年に2シーズンにわたり低濃度（2.5 µMと5 µM）を用いた2回目の圃場研究を実施した（補足図S2A）。予想通り、5 µMのMiZaxの両方の施用は、最初の試験と同様の成長促進効果、すなわち植物の高さの増加、分枝の増加、バイオマスの増加、および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見ら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の施用により塊茎の長さと幅も増加しました（補足図S2B）。塊茎重量の有意な増加も確認されましたが、2.5 µMの濃度は両方の植え付けシーズンにのみ施用されました。
2022年にKAU圃場においてMiZaxが早生ジャガイモに与える影響に関する植物表現型評価を実施しました。データは平均値±標準偏差を表しています。n≥15。統計解析は一元配置分散分析（ANOVA）とTukeyの事後検定を用いて実施しました。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、有意差なし）。HA – フミン酸、MZ3、MiZax3、MZ5、MiZax5。HA – フミン酸、MZ3、MiZax3、MZ5、MiZax5。
処理（T）と年（Y）の効果をより深く理解するため、二元配置分散分析（T x Y）を用いて相互作用（T x Y）を調べた。すべてのバイオスティミュラント（T）がジャガイモの草丈とバイオマスを有意に増加させたが、塊茎数と重量を有意に増加させたのはMiZax3とMiZax5のみであり、2種類のMiZaxに対するジャガイモ塊茎の双方向反応は本質的に同様であったことが示された（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）がより暑くなり（平均気温28℃、湿度52%（2022年））、塊茎全体のバイオマスが大幅に減少する（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）がジャガイモに与える影響を研究する。データは平均値±標準偏差を表す。n ≥ 30。統計解析は二元配置分散分析（ANOVA）を用いて実施した。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、MZ5、MiZax5。
しかしながら、マイザックス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、3つの独立した実験は、マイザックス処理が分枝数を増加させることで植物構造に有意な影響を与えることを疑いなく示しました。実際、マイザックス処理後の分枝数には、(T)と(Y)の間に有意な双方向相互作用効果が見られました（図3）。この結果は、ストリゴラクトン（SL）生合成の抑制因子としてのそれらの活性と整合しています26。さらに、私たちは以前、ザキシノン処理がイネの根にデンプン蓄積を引き起こすことを示しており35、これは、ジャガイモの塊茎が主にデンプンで構成されているため、マイザックス処理後の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、MiZaxを葉に散布してイチゴへの影響を調べました。最初に、10 µMの濃度のMiZaxを与えて、イチゴ（品種Festival）の成長への影響を評価しました。興味深いことに、MiZax3は匍匐茎の数を大幅に増加させ、これは分岐の増加に対応していましたが、MiZax5は温室条件下での開花率、植物バイオマス、および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変化す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年に半砂質土壌で生育したイチゴ植物（品種Sweet Charlie）に5および10 µMのMiZaxを適用するフィールド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認められませんでしたが、果実数は増加する傾向が見られました（図C6A-B）。しかし、MiZaxの施用により、単一果実重量が有意に増加し、濃度依存性が示唆されました（補足図S5B、補足図S6B）。これは、砂漠条件下でこれらの植物成長調整剤を施用した場合、イチゴ果実の品質に影響を与えることを示しています。
成長促進効果が栽培品種によって異なるかどうかを理解するために、サウジアラビアで商業的に栽培されている2種類のイチゴ栽培品種（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（2.5 µMと5 µM）を使用して2つの圃場研究を実施しました。スイートチャーリーでは、果実の総数は有意に増加しませんでしたが、MiZaxで処理した植物の果実バイオマスは概して高く、区画あたりの果実数はMiZax3処理後に増加しました（図4）。これらのデータはさらに、MiZax3とMiZax5の生物学的活性が異なる可能性があることを示唆しています。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の調整が植物種によって異なることを示しています。
2022年に実施された、KAU圃場におけるMiZax施用が植物構造とイチゴ（スイートチャーリー種）の収量に及ぼす影響。データは平均値±標準偏差を表す。n ≥ 15であるが、区画あたりの果実数は3区画（n = 3）の15株の平均で算出した。統計解析は、一元配置分散分析（ANOVA）およびTukeyの事後検定または両側Student t検定を用いて実施した。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、MZ5、MiZax5。
フェスティバル品種のイチゴにおいても、果実重量と植物バイオマスに関して同様の成長促進作用が認められましたが（図5）、植物体あたりまたは区画あたりの果実総数には有意差は認められませんでした（図5）。興味深いことに、MiZaxの施用により植物長と匍匐茎数が増加したことから、これらの植物成長調整剤は果樹の生育改善に使用できることが示唆されました（図5）。さらに、圃場から採取した2品種の果実品質を把握するため、いくつかの生化学的パラメータを測定しましたが、すべての処理間で差は認められませんでした（補足図S7、補足図S8）。
2022年、KAU圃場（フェスティバル品種）におけるMiZax施用が植物体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。n ≥ 15であるが、区画あたりの果実数は3区画（n = 3）の15株の平均値を算出した。統計解析は、一元配置分散分析（ANOVA）およびTukeyの事後検定または両側Student t検定を用いて実施した。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、MZ5、MiZax5。
イチゴに関する研究において、MiZax3とMiZax5の生物学的活性は異なることが判明しました。まず、同一栽培品種（スイートチャーリー）における処理（T）と年（Y）の影響を二元配置分散分析（T x Y）を用いて調べ、相互作用（T x Y）を算出しました。その結果、HAはイチゴ栽培品種（スイートチャーリー）に影響を与えませんでしたが、5μMのMiZax3とMiZax5は植物体と果実のバイオマスを有意に増加させました（図6）。これは、2つのMiZaxの相互作用がイチゴの生産性向上において非常に類似していることを示唆しています。
イチゴ（品種：スイートチャーリー）における5 µM処理（T）、年（Y）、およびそれらの相互作用（T x Y）の影響を評価する。データは平均値±標準偏差を表す。n ≥ 30。統計解析は二元配置分散分析（ANOVA）を用いて実施した。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；MZ5、MiZax5。
さらに、2つの栽培品種におけるMiZaxの活性がわずかに異なること（図4、図5）を考慮し、処理（T）と2つの栽培品種（C）を比較する二元配置分散分析（ANOVA）を実施しました。まず、いずれの処理も区画あたり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ており、MiZaxもHAも総果実数に寄与していないことを示唆しています。対照的に、MiZax（HAはそうではありませんでした）は、植物重量、果実重量、圃場茎および新株を有意に増加させました（図7）。これは、MiZax3およびMiZax5が、異なるイチゴ植物栽培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）に基づき、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。
イチゴへの5 µM処理（T）、2品種（C）、およびそれらの相互作用（T x C）の評価。データは平均値±標準偏差を表す。n ≥ 30であるが、区画あたりの果実数は3つの区画（n = 6）の15株の平均として算出した。統計解析は二元配置分散分析（ANOVA）を用いて実施した。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、MZ5、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）に適用した化合物の効果を評価しました。これらの図から、HA処理はジャガイモにおけるアセトン、またはイチゴにおける水と類似しており（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（図8A）が、イチゴではこれらの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分析により、成長制御活性は植物種によっても異なる可能性があることが示されました。
(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ます。
要約すると、2種類の有用作物に関する当社の5件の独立したフィールド研究に基づき、2020年から2022年までの以前のレポート26と一致して、MiZax3とMiZax5は、穀類、木本植物（ナツメヤシ）、園芸果樹作物など、さまざまな作物の植物成長を改善できる有望な植物成長調整剤です26,27。生物学的活性以外の分子メカニズムはまだ不明ですが、フィールドアプリケーションに大きな可能性を秘めています。何よりも優れているのは、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）で使用され、プラスの効果がより顕著であることです。したがって、MiZax3の1回あたりの投与量（低濃度から高濃度まで）：3、6、または12 g/ha、MiZx5の投与量：4、7、または13 g/haと推定され、これらのPGRは作物の収量を向上させるのに役立ちます。かなり実現可能です。
投稿日時: 2024年3月15日