レタスの耐干つ性に関する微生物コンソーシアムの熱評価

サマリー

本研究は、特に67株の微生物接種剤が生理的緩衝剤として Lactuca sativa の水分ストレスを軽減することを示しています。赤外線サーモグラフィーと作物水分ストレス指数(CWSI)を用いて、微生物介導性の誘導全身耐性(IST)が蒸散冷却を維持し、深刻な水分不足下での恒常性崩壊を防ぐことを定量化しました。

要約

水不足の深刻化は、世界のレタス生産にとって重大な脅威であり、作物の品質と収量を低下させます。生産者は水ストレスを軽減するために過剰施肥に頼ることが多いですが、微生物接種剤などの生物学的代替手段により持続可能なアプローチを提供します。本研究では、67株の微生物コンソーシアムと トリコデルマ・ハルツィアヌム 分離株が、管理された条件下でロメインレタス(Lactuca sativa var. Paspartu)における水ストレス耐性を高める効果を評価しました。微生物接種と3段階の灌漑(蒸散量50%、75%、蒸散100%)を組み合わせた9つの処理が確立されました。作物の水の状態は赤外線サーモグラフィーを用いて、樹冠温度の変動(Tc)から作物水分ストレス指数(CWSI)を算出しました。CWSIの統計解析(ANOVA)では、治療間で世界的に有意な差は認められませんでした(F = 0.67、 p = 0.778)。しかし、熱応力のピーク時には明確な数値的傾向が観察されました。深刻な水分不足(灌漑50%)下では、微生物コンソーシアムで接種された植物は、最大ストレス閾値(CWSI = 1.0)に達した非接種対照群に比べてCWSI値が低い(平均0.38)を維持しました。さらに、微生物処理は急性ストレス期後の熱回復速度が速かったことが示されました。これらの結果は、世界的な分散は大きいものの、微生物のコンソーシアムは生理学的な緩衝材として機能し、蒸散効率を高めることを示唆しています。赤外線サーモグラフィーは、水ストレスの早期検出において正確で非破壊的なツールであることが証明されました。本研究は、有益微生物が作物のレジリエンスを向上させる可能性を強調し、園芸研究における熱評価のための標準化されたプロトコルを提供します。

概要

レタス(Lactuca sativa L.)は、浅い根系と高い水分含有量を特徴とする高付加価値の園芸作物であり、水分不足に非常に敏感^です。水分ストレス下では、植物は主に気孔閉鎖などの即時的な生理的反応を活性化し、蒸散による水分損失を最小限に抑えます²。この仕組みは内部の水の状態を保つ一方で、蒸^発冷却の減少により樹冠温度(Tc)が大幅に上昇します。温室効果や管理された環境では、これらの熱的および湿気の変動を管理することが収量と品質の維持に不可欠です^。

文献は、水が制限された条件下で樹冠温度(Tc)と作物生産性との間に重要な負の相関がある証拠を提供しています。この関係は、Tcの複数の定量形質遺伝子座(QTL)の同定によってさらに裏付けられており、これらはバイオマス蓄積と最終収量の両方に多重性効果を示す^4。水ストレスモニタリングの分野では、赤外線サーモグラフィーは正規化差植生指数(NDVI)よりも高い感度を示し、従来のスペクトル植生指数ではしばしば気づかれない微細な水律変動を検出可能にしています。この文脈では、樹冠温度(Tc)に基づくアルゴリズムは、組織の水分状態を診断するための非侵襲的で迅速かつ正確な方法論を表します。その中でも、作物水分ストレス指数(CWSI)は、生理学的特徴付けや灌漑体制の最適化において最も堅牢かつ広く実装されているパラメータとして際立っています。CWSIの多用途性は、オリーブ、ブドウ、砂糖大根、トウモロコシ、米、小麦^、綿花などの高価値樹木や草本作物を含む幅広い分類群で検証されています。

対照的に、赤外線サーモグラフィー(IRT)は作物の水の状態をリアルタイムで監視するための堅牢で非破壊的なツールとして台頭しています。Tcの違いから作物水分ストレス指数(CWSI)を計算することで、視覚萎凋^{症状が現れ}る前のストレスを定量化できます。しかし、IRTの精度にもかかわらず、^{これらのセンサーが}検知する熱の蓄積を軽減するための生物学的戦略を模索する必要があります。植物成長促進微生物(PGPM)の利用は、干ばつ耐性を高める有望なバイオテクノロジー的アプローチ^{を示しています。}トリコデルマなどの菌類や様々な有益菌を含む微生物連合は、根の構造を変化させ、抗^{酸化システムを調節}することで水分吸収を改善できます^8,9。微生物コンソーシアムが非生物的ストレスに対して作物の生理的緩衝材や生物学的支援システムとして機能する能力はよく記録されています。個々の接種剤とは異なり、これらの複雑な群落は多面的な防御機構を提供し、悪条件下で植物の恒常性を安定させる役割を果たします^10,11。単離微生物の個別効果は広く報告されていますが、多様なコンソーシアムによる相乗効果(継続的な栄養流束と熱調節の促進)は依然としてバイオテクノロジーの重要な関心分野です(^12,13)。ロメインレタスにおける多株コンソーシアムの統合と高解像度熱画像解析による影響評価の研究は限られています。

本研究の目的は、複雑な微生物コンソーシアム(67株)と単一株の トリコデルマ・ハルツィアヌム 接種の水ストレス緩和効果を評価することでした。赤外線サーモグラフィーとCWSIを主要な診断ツールとして用い、微生物接種が異なる水分不足レベル(50%、75%、100%)において樹冠温度を下げ、蒸散率を高く保つかどうかを調べることを目指しました。この研究課題は、高度に多様なコンソーシアムが単一株処理と比較して優れた熱的および生理的緩衝効果を提供できるかどうかに焦点を当てました。微生物コンソーシアムは、特に深刻な赤字(50%)下で、CWSI値を低くし、特に植物の高さやバイオマス蓄積といった主要な成長パラメータを維持することで、水ストレス耐性を大幅に向上させると仮説が立てられました。本研究は、多様な微生物集団が制御された環境条件下でレタスの熱調節および構造発達に与える相乗効果を検証することで、研究ギャップを埋めます。

プロトコル

ロメインレタス(Lactuca sativa L. var. Paspartu)における水分ストレス耐性を高める微生物接種剤の有効性を評価する実験ワークフローは図1にまとめられています。このプロトコルは、正確な灌漑体制の継続的なモニタリングと、生理的および熱データを定期的に取得することを統合していました。2つの異なる微生物産物が利用されました。(I) PGPR、アクチノマイセテ、有益菌類からなる67株の複雑な微生物コンソーシアムで、根の定着と外多糖(EPS)分泌を通じて生理的緩衝材として機能する設計;および(II)トリコデルマ・ハルツィアヌム(トリコデルマ・ハルツィアナムの単一株接種剤で、全身耐性を誘導し根構造を変化させることを目的としています)。使用される試薬、機器、ソフトウェアは材料表に記載されています。

1. 微生物接種

両微生物処理に対して標準化された接種体制が実装され、高精度マイクロピペットを用いて現場規模の用量を模擬する6回の土壌浸湿処理から構成されました。第一段階は、播種後5日と15日目の苗の段階で起こりました(DAS)。30 DASで苗木はより大きな空洞トレイに移植され、移植後1日目(DAT)に接種の第2段階が行われ、その後7日、15日、20日の連続散布が行われました。

微生物コンソーシアムでは、植物の物候に応じて投与量が調整されました。最初の2回は500 g/ha(3 mL/plant)で適用され、その後移植時に高濃度の2 kg/ha、最後に3回の維持投与で300 g/haを投与しました。同様に、 T. harzianum は最初の2段階で1L/ha、移植時に3L/ha、最後の3段階で1L/haで施用されました。この段階的アプローチは、根の強固な定着を確保し、微生物集団が重要な成長期およびストレス誘導期を通じて生理的緩衝材としての役割を維持するために設計されました。

2. 作物の準備

認証済みロメインレタス種子(Lactuca sativa L. var. Paspartu)は、311空洞のポリスチレントレイ(1空洞あたり11mL)で、深さ1cmのプログレードのピートモスベースの基材を用いて発芽させました。発芽は、温度範囲15°Cから22°C、相対湿度60%〜70%の管理された生物気候チャンバーで行われました。発芽率が90%に達した(播種後約3〜5日後)に、苗は根球容量55mLの大きなトレイに移植され、根の発育が制限されないようにしました(図2 および 図3参照)。試験は完全ランダム化デザイン(CRD)で組織され、9つの実験単位(トレイ)と20個の苗を1トレイに分けました。この構成は3つの×3つの微生物処理×3つの灌漑体制を受け入れる構成でした。詳細な基質物理化学的特性および特定の生物気候チャンバープログラム¹⁴は図 3、 補足表1、 補足表2、 補足表3に示されています。

実験トレイは、縁効果を排除し均一な露出を確保するため、生物気候チャンバー内で完全にランダム化された配置で配布されました。このチャンバーは動的な場のような条件をシミュレートし、高温領域を利用して開放フィールドの熱応力を再現するようプログラムされました。植生期には、環境パラメータが可変相対湿度範囲内に維持され、高強度LED照明(十分な光合成活性放射を確保するために最大容量の50%以上に設定)による9時間の光時が確保されました¹⁵。確立段階の後、環境プログラムは水不足処理の強化要件を反映するように調整され、段階的な大気遷移¹⁵ (図4 および 図5)に示されています。温度、湿度、光強度に関する具体的な昼行性・夜間設定値は、補 足表1 および 補足表2 に詳細記載されており、主要なプロトコルを簡素化しています。

この受精戦略はロメインレタスの特定の物候的要件を満たすよう設計され、栄養循環全体を通じてバランスの取れた栄養供給を維持しました。苗生期(12〜24 DAS)では、硝酸カリウム(KNO₃)、一カリウムリン酸塩(KH₂PO₄)、硝酸カルシウム(Ca(NO₃)₂)を標的に施用して栄養が供給されました。早期定着を促進するために、最初の24^日間に商業用バイオ刺激薬が補充されました。

26 DASから最終評価76 DASまで、肥料プログラムは維持管理体制へと移行し、微生物接種剤の特異的な効果を分離するためにバイオスティミュラントを除去しました。すべての用途は、根圏内で最適な電気伝導率(EC)とpHを維持するよう校正されました。鉱物濃度および特定添加ボリューム¹⁶の完全な年代順スケジュールは 補足表3に詳述されています。

3. 微生物による治療

水圧に対する生物学的介入の有効性を評価するために、3つの異なる処理法が確立されました。(I) 植物成長促進根管菌(PGPR)、アクチノ菌類、菌類を含む67の有益菌株からなる高多様性微生物コンソーシアム、(II) トリコデルマ・ハルツィアナムの特殊な単一株製剤であるT. harzianum;および(III)非接種対照群。これらの治療は、主に根構造修飾、ACC-デアミナーゼ産生、外多糖(EPS)分泌などのメカニズムを通じて誘導全身耐性(IST)の可能性に基づいて選定されました。

接種は段階的に戦略的に進められました。初期の散布(1株あたり3mL)は、真葉の第2段階で高精度マイクロピペット を直接 根圏に注入し、早期の根の定着を確保しました。その後の応用は、現場規模の同等物(密度75,000株/ヘクタールをシミュレート)に校正されました。 T. harzianumには2 L/haの濃度が適用され、微生物コンソーシアムは1 kg/haで投与されました。これらの処方は灌漑用水に溶け込み、15日ごとに適用され、栄養サイクル¹⁷を通じて生理的緩衝材として安定した微生物集団を維持しました。

4. 異なる灌漑方法

異なる湿潤条件下での L. sativa の生理学的および農学的可塑性を評価するために、作物蒸散(ETc)の置換に基づく3つの灌漑方式が実施されました。体積的な水分含有量は基板の現場容量(FC)に合わせて校正され、正確な応力誘起が保証されました。レメンは以下のように定義されました:(I) 制御/十分に水分(CC-100% ETc)、蒸散が完全に補充される状態;(II) 中程度の水分不足(75% ETc)、中間的な水圧制限を誘発する設計;および(III)深刻な水不足(50% ETc)、これは重大な水ストレスを引き起こすことを目的としています。蒸散¹⁸で失われた水の正確な補充を確保するため、目盛りピペットでサーモ画像を撮影した後、毎日灌漑が行われました。

5. データと画像記録

プラントの熱分布と水の状態を評価するため、実験期間中は月曜から金曜まで毎日赤外線サーマル画像を撮影しました。すべての写真記録は、最大蒸散量と太陽強度の期間中の測定を標準化するため、正午から午後2時の間に実施されました。これらの画像は、前日の灌漑直前に撮影し、過去24時間の植物が経験した累積的な水分ストレスを記録することが重要です。画像取得のために、赤外線サーマルカメラは移動装置に接続され、レタスの背面に対して60〜70cmの一定距離で垂直な姿勢を維持していました。ソフトウェアは多色サーマルパレットで構成されており、温度勾配が最低から高へと表示されています。紫(最も冷たい)から始まり、ロイヤルブルー、ターコイズ、緑(中間点)、黄色、オレンジ、そして最後に赤(最も熱い)へと移行しています。ソフトウェアインターフェース内で、植物のキャノピーを含む特定のトレイエリアを手動で選択して熱データを取得しました。この色の尺度は生理学的な指標として機能します。水分が豊富な植物は蒸散活動により樹冠温度が低く(紫/青)、乾燥植物は気孔閉鎖と蒸発冷却の減少により樹冠温度が高く(オレンジ/赤)を示します。その後、これらの高解像度画像は、特定関心地域(ROI)に関する三点測定関数を用いて処理し、作物水分ストレス指数(CWSI)の計算に用いられる正確な樹冠温度(T_c)値を抽出しました。

もしCWSIが次の条件ならば:

0なら、作物は水分ストレスを受けていません

1 その場合、作物は深刻な水分ストレスにさらされています

ここで:

Tc は赤外線イメージングで測定された作物の樹冠温度です。 TW は水ストレスのない条件下での樹冠温度です。 Td は最大水分ストレス条件¹⁹時の樹冠温度です。

赤外線サーモグラフィーを用いて評価した植物の成長、発育、生理的状態の指標は、研究変数および実験で用いられた概念的・操作的定義とともに補 足表4 に示されています。これらの変数の組み合わせにより、実験的処理が各植物の生理的機能や発育に与える影響を包括的に評価することが可能となりました。

6. データ分析

生理学的および形態学的データを、各灌漑体制ごとに一方向ANOVAを用いて分析し、異なる微生物処理の効果を明らかにしました。すべての統計手法は統計ソフトウェアを使用して実施されました。推論解析を行う前に、パラメトリック統計の基本的な要件を確認し、結果の信頼性を確保しました。残差の正規性はアンダーソン・ダーリング検定(p > 0.100)を用いて確認され、正規性を示しました。さらに、分散の均質性はレヴェーン検定(p = 0.989)を用いて検証され、グループ間で高いホモスカデスティシティが確認されました。両方の仮定が満たされたため、Tukey HSD(Honestly Significant Difference)ポストホック検定を用いて、治療平均間の有意差(p < 0.05)を特定しました。個々のプラントはすべての統計評価の実験単位として定義されました。

結果

3つのレベルでの水分補給に関する治療のストレス耐性

レタス(Lactuca sativa L. var. Paspartu)の水ストレスに対する生理学的および形態学的反応は、3段階の灌漑レベル(50%、75%、100%)で評価されました。一方方向の因子的ANOVAを用いて、微生物処理(処理(T):TI:微生物コンソーシアム、TII: Trichoderma harzianum、TC:対照群)、播種後日数(DAS)とそれらの相互作用(T - DAS)が葉数(LN)、葉の長さ(LL)、葉幅(LW)、茎径(SD)、植物高さ(PH))に与える影響を明らかにしました。初期の定着段階では、基準値測定により差異灌漑開始前にすべてのグループで均一な苗木の発達が見られ、結果は分析された要因によるものであると主張されました(図6)。このフェノロジー段階での3つの処理の平均株高は35.58mmで、統計的に有意...

ディスカッション

本研究から得られた実証的証拠は、多株微生物コンソーシアムの戦略的応用が、 ラクタカ・サティバにおける水分欠損の有害な影響に対する強固なバイオテクノロジー緩衝材として機能することを裏付けています。全域推論解析(ANOVA)では統計的に有意な差は得られませんでした(F = 0.67、 p = 0.778)が、時間的熱力学の高解像度検証により重要な数値的緩和傾向が明らかになります。最も厳しい灌漑体制(50% ETc)の下で、微生物コンソーシアムは一貫して低い作物水分ストレス指数(CWSI)を維持し、非接種対照群²⁰で観察された恒常性崩壊閾値(CWSI = 1.0)に達することを防いでいました。

この代謝緩衝能力は、誘導全身耐性(IST)のパラダイムと正確に一致しています²¹。彼らの調査によると、根圏関連細菌は植物の内部シグナル伝達経路を最適化する生化学的な「プライミング」を促進します。本研究...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
シロイナナズナ花の部屋	パーシバル・サイエンティフィック株式会社	AR-95L3	均一な成長条件(温度、湿度、光)のための制御環境チャンバー。
Arduino Uno R3	Arduino	A000066	センサーデータ処理用にATmega328Pをベースにしたマイクロコントローラボード。
硝酸カルシウム	ヌーリヨン・ケミカルズ SA de CV	https://adob.com.pl/en/product/adob-calcium-nitrate/	可溶性無機肥料。組成:窒素15.2%、カルシウム27.5%。
赤外線サーマルカメラ	ヒクマイクロ	https://webassets.hikmicrotech.com /global/asset/d802895de0b44f46 8a49913953e590ff.pdf	樹冠温度測定用の高解像度サーマルイメージングカメラ(256×192ピクセル)。
レタスの種	エンザ・ザデン	パスパルトゥ	ロメインレタス(Lactuca sativa L. var. longifolia)の認証種子。
微生物コンソーシアム(BPGプラス)	アリビオサイエンスSAPI DE CV	https://alibio.ag/productos/bgp-plus	67株(菌類、細菌、放線菌)のコンソーシアム。4x10^8 CFU/g。
一カリウムリン酸塩およびnbsp;	SQM	https://www.sqmnutrition.com/ec/marca/ultrasol/ultrasol-mkp-4-2	可溶性無機リン酸一カリウム肥料。組成:リン52%、カリウム34%(水/水)。
ピートモス基質	サン・グロ園芸	https://www.sungro.com/professional-product/sun-gro-perlite-free-mix-x-coarse-resilience/	カナダ産スファグナムピートモス、バーミキュライトなしのプロフェッショナルグレード。
パーライト	インバーファームズ メキシコ	https://inverfarms.com/product/ perlita-hortiperl-saco-125-l/?srsltid =AfmBOorwncGHkTcSpgDb9OS bN2-7Mi3ZwQR-uObQte8QQotaD Li-JgLy	高品質な不活性基材は、土壌の通気性を最適化し、水分や栄養素の保持を改善するために使用されます。
植物成長調節器(RADIX 3000)	インターコンチネンタルSAデビュー戦CV	https://www.interie.net/productos	根の形成を促します。有効成分:インドール-3-ブチリン酸、0.3%(v/v)です。
硝酸カリウム	SQM	https://sqm.com/producto/ultrasol-k-plus/	可溶性無機肥料。組成:窒素13.7%、カリウム46.3%。
R Studio	無料版	https://www.r-project.org/	Rは、統計計算、データ分析、可視化に使用される無料かつオープンソースのプログラミング言語およびソフトウェア環境であり、強力なモデリングツール、豊富なパッケージエコシステム、再現性のある研究支援により科学やデータサイエンスで広く採用されています。
土壌水分センサー	様々な(ジェネリック)	FC-28 / HW-080	抵抗性土壌水分センサーで、アナログ/デジタル出力用のLM393コンパレータ付きです。
サーモグラフィーソフトウェア	ヒクマイクロ	アナライザー	熱画像解析および温度抽出のための専門ソフトウェア。D6
トリコデルマ・ハルツィアヌム(PROTRI)	Aguilares SPR de RL	該当なし 内部参照	サラマンカ(グトゥ)の農地から分離された在来株。アギラレスSPR de RLで実験用に培養・標準化されています
バーミキュライト	インバーファームズ メキシコ	https://inverfarms.com/product/vermiculita-verlite-saco-114-litros/?srsltid=AfmBOoo61hIX-Eg4N-LXUWTY9NLlc5QC5I-iVe85UZRFrNHWQNQ3FwCZ	トレイカバー用の膨張バーミキュライト。密度:60〜120 kg/m3。