小さくて硬くなった細胞のおかげで、よりよく浸透することができます。これまで知られていなかった根の特徴により、穀物植物は硬い土壌にさらに深く浸透することができると研究者は報告しています。研究によると、この性質を持つ植物は、圧縮された土壌から水と栄養素をよりよく引き出すことができます。したがって、この形質に合わせて品種改良された作物は、土壌圧縮の影響をますます受けている世界の地域で収量を増加させる可能性がある、と科学者らは述べている。
世界の土壌は陸上生命の基盤を形成しており、植物の成長を可能にし、陸上バイオマスの生産と動物や人間の食料の生産を可能にしています。土壌の肥沃度はさまざまな要因によって決まりますが、特に重要なのは機械的抵抗です。土壌が硬くて圧縮されている場合、水を吸収して蓄え、根が成長する機会を与える穴がほとんどありません。 「土壌が圧縮されると、より深い土壌層の探査が制限され、その結果、栄養素や水へのアクセスが制限されるため、植物の生産性が制限されます」と、ユニバーシティパークにあるペンシルバニア州立大学のハンナ・シュナイダー氏は説明します。しかし、植物の中には硬い土壌にも比較的よく根が浸透し、より深く利用できる植物種や品種もあります。最終的には、乾燥した条件や土壌の肥沃度が低い方が効率が高くなります。
新しい機能が登場しています
ただし、これらの能力の根拠はまだ完全には理解されていません。シュナイダー氏と同僚は、この研究テーマに専念しています。彼らの現在の研究では、トウモロコシとコムギの異なる遺伝子型における根の生理学的特性を、硬い土壌を通して根を張るそれぞれの能力と関連させて調べることに焦点が当てられていた。温室と野外での実験では、植物はさまざまなレベルの土壌圧縮で栽培されました。次いで、それらの浸透能力および関連するバイオマス形成を記録した。その後、研究者らは最新の分析手法を使用して、根の微細構造とその機械的弾力性についての洞察を得ました。
研究チームは、特に強力な根を持つ植物が、科学者が多列性モルティカレス・スクレレンキマ（MCS）と呼ぶ特徴を発達させていることを示すことができた。これは根の表面直下の強化組織であり、厚い壁を持つ特に小さな細胞によって特徴付けられます。研究者らは、対応する根にもリグニン濃度が高いと報告しています。これは、特に木材や樹皮組織における細胞壁の形成に重要な複雑な有機ポリマーであり、細胞壁を安定にします。
また、リグニンが多いと、MCS の根の引張強度が大きくなり、非 MCS 遺伝子型と比較して根の先端領域でより大きな曲げ力を持つことができることが研究で示されました。研究者らは、これは硬い土壌層を貫通する場合に特に有利であると説明しています。 MCS を持つトウモロコシ遺伝子型では、形質のない系統よりも圧縮土壌の根系が 22% 深くまで到達しました。関連する栄養素と水の使用の最適化は地上部の成長にも反映され、植物の苗条バイオマスが 39% 増加したことが評価で示されました。
植物育種の可能性
「我々は現在、トウモロコシ、小麦、大麦、その他の穀物の系統からすでにMCSを検出しています。これは、MCSが異なる種でも同様に発生する可能性があり、したがって穀物のストレス耐性と収量の増加にとって重要な形質を表すことを示唆しています」とシュナイダー氏は言う。研究者らは、この形質の遺伝的基盤を解明する手がかりもすでに発見している。これは、育種プログラムの一環として、その形質を対象とした選択が可能であることを示しています。
特にトウモロコシは硬い土壌に深く根を張ることができ、問題のある地域の栄養状況を改善する可能性があると科学者らは述べている。これは、世界の広い地域が干ばつに対してより脆弱になっている気候の変化を考慮すると特に当てはまります。 「この発見は、この形質が干ばつ耐性、窒素効率、ひいては炭素隔離を高めるため、世界の農業にとって良い前兆です」と共著者であるレスターシャー州ノッティンガム大学のジョナサン・リンチ氏は言う。 「この形質の品種改良は、気候保護のための新しい作物の開発にも役立つ可能性があります」と研究者は言う。
出典: ペンシルベニア州立大学、専門記事: PNAS、doi: 10.1073/pnas.2012087118
