特にヴァーミキュライトと アゾスピリルム・ブラジレンセの併用は、小麦の成長、穀物収量、光合成速度、気孔伝導率、クロロフィル含有量を改善し、カドミウム(Cd)ストレス下の植物組織における電解質漏れやCd蓄積を減少させました。
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特にヴァーミキュライトと アゾスピリルム・ブラジレンセの併用は、小麦の成長、穀物収量、光合成速度、気孔伝導率、クロロフィル含有量を改善し、カドミウム(Cd)ストレス下の植物組織における電解質漏れやCd蓄積を減少させました。
農業土壌におけるカドミウム(Cd)汚染は、作物の生産性と人間の健康に深刻な脅威をもたらします。本研究では、バーミキュライトおよび植物成長促進菌 Azospirillum brasilense が小麦(Triticum aestivum L.)におけるCd毒性の緩和に寄与する可能性を評価しました。3回の複製と9回の処理を含むポット実験が行われました:T0(対照)、T1(Cd 100 mg/kg)、T2(Cd 100 mg/kg + バーミキュライト)、T3(Cd 100 mg/kg + A. brasilense)、T4(Cd 100 mg/kg + バーミキュライト + A. brasilense)、T5(Cd 200 mg/kg)、T6(Cd 200 mg/kg + バーミキュライト)、T7(Cd 200 mg/kg + A. brasilense)、 およびT8(Cd 200 mg/kg + バーミキュライト+ A. brasilense)。Cdレベルが高いほど、小麦では成長抑制がより深刻になりました。しかし、バーミキュライトおよび A. brasilense を用いた処理は植物の成長を大幅に改善し、植物組織内のCd蓄積を減少させ、抗酸化酵素活性を高めました(SOD、CAT)。特に、バーミキュライトと A. brasilense (T4およびT8)の併用がCd応力の最も効果的な緩和を示しました。100 mg/kg Cd(T4)では、小麦の株はCd単独処理と比較して高さが10.67%増加し、穂の長さが10.21%長くなり、穀物収量が19.87%増加しました。200 mg/kgのCdストレス(T8)下では、同じ組み合わせで株高が44.83%増加し、穂長が17.63%改善され、未処理のCdストレス植物(T5)と比べて収量が44.83%増加しました。これらの結果は、ヴァーミキュライトと アゾスピリルム・ブラジレンスの 相乗効果が小麦のCD毒性耐性を高めることを示しています。これらの組み合わせの応用により、Cd負荷条件下での成長パラメータ、生理的形質、収量が向上し、Cd汚染土壌の修復と小麦生産性の維持に環境に優しいアプローチを提供します。
小麦(Triticum aestivum L.)は、何百万人もの人々にとって主要なエネルギー源を提供する重要な主食作物です。主な食料源として、特に温帯地域で広大な農地で栽培されています。小麦の多様性、栄養価、多様な環境条件への適応力は、食料安全保障の基盤となっています。しかし、小麦の収量ポテンシャルは異なる非生物的および生物的ストレス要因によってしばしば制限され、生産性の大幅な損失につながります。今日の小麦生産が直面している差し迫った課題の一つは、特にカドミウム(Cd)2,3を含む重金属による土壌汚染です。カドミウムは有毒な重金属であり、工業活動、リン酸塩肥料、汚染水による灌漑を通じて農業土壌に導入されることがあります。土壌に入ったCdは小麦の植物に容易に吸収され、さまざまな組織に蓄積されるため、酸化ストレス、生理機能の障害、成長の低下を引き起こします。Cdが小麦に与える有害な影響は、作物の収量を減少させるだけでなく、汚染された穀物の摂取による人間の健康問題も引き起こします。重金属毒性や栄養不足、土壌構造の悪さ、干ばつストレス、最適でない農学的手法などの要因が小麦の低収量に寄与しています。気候変動の常に存在する脅威はこれらの課題を悪化させ、持続可能な小麦生産の達成をますます困難にしています5.
バーミキュライトは自然に存在する鉱物で、その独特の特性と土壌改良剤としての利点から農業で大きな注目を集めています。主に水和されたマグネシウム・アルミニウム・鉄ケイ酸塩から成り、加熱されると膨張する能力で知られており、軽量で非常に多孔質な材料となります。この膨張型のバーミキュライトは優れた保水性と通気性を示し、土壌構造の改善や植物の成長促進に理想的な培地です。農業用途において、ヴァーミキュライトは土壌混合物の重要な成分として機能し、特に土壌の質が悪い地域や、水や栄養管理が強化された条件で重要な役割を果たします7。バーミキュライトは土壌中の水分を保持し、水分ストレス下でも土壌の水分を維持する能力を持っています。水たまりを防ぎ、植物の根に安定した水分供給を確保する上で有用です。さらに、バーミキュライトの高いカチオン交換容量(CEC)により、カリウム(K)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)などの栄養素を時間とともに提供できます。バーミキュライトが重金属汚染などの環境ストレス要因を緩和する役割は、持続可能な農業において特に注目されています。バーミキュライトは高い表面積と重金属への親和性により、土壌中のカドミウム(Cd)などの有害元素を吸着・固定し、植物への生体利用能を低下させます。これは金属毒性による有害な悪影響から作物を守るだけでなく、有害物質を除去することで土壌の健康維持にも寄与します。
アゾスピリルム・ブラジレンセは、植物の成長促進根茎(PGPR)としてよく知られており、さまざまなストレス条件下での植物の成長と回復力を高める能力から農業研究や実践で大きな関心を集めています。もともとは熱帯草の根圏から分離されたA. brasilenseは自由生活の細菌で、小麦(Triticum aestivum L.)を含む幅広い作物の根に定着し、宿主植物と有益な関係を築きます。A. brasilenseが作物の成長を促進する主なメカニズムは、大気中の窒素(N2)を固定することで、これを容易に吸収して植物の機能に利用することです。この生物学的窒素固定は、植物成長に必要な合成肥料の必要量を減らし、より持続可能な農業慣行に寄与します 1,11。A. brasilenseは植物ホルモンであるインドール-3-酢酸(IAA)を生成することで知られており、根の発達を促進します。この根の発達は栄養の吸収を促進します。成長促進効果に加え、A. brasilenseは重金属毒性に対する植物耐性を高めることも可能です12。汚染土壌では、A. brasilenseは植物の生理学的および生化学的反応を調節し、カドミウム(Cd)などの金属の取り込みや蓄積を減少させます。この細菌は、根の分泌パターンを変えたり、抗酸化酵素活性を高めたり、重金属に結合できる細胞外重分子物質の生成など、いくつかのメカニズムを通じてこれを達成し、これにより植物への利用可能性を減らすことができます13。A. brasilenseが小麦のCd毒性を緩和する可能性は、現代農業の文脈で特に重要です。なぜなら、土壌の重金属汚染が作物の生産性や食品安全に増大する脅威となっているからです。A. brasilenseの自然な能力を活用することで、農家は厳しい環境下でも小麦作物の健康と収量を向上させ、食料安全保障と環境の持続可能性に貢献します。
農業土壌におけるカドミウム(Cd)汚染の増大する課題は、特に小麦のような主食作物において作物生産の持続可能性に重大な脅威をもたらしています。CDは有毒な重金属で、植物の成長を妨げるだけでなく、作物の食用部位にも蓄積することがあります。農業が環境汚染と生産性向上という二重の圧力に直面する中、Cdのような重金属が作物の健康に与える影響を軽減するためには、革新的かつ持続可能な戦略が求められています。バーミキュライトとアゾスピリルム・ブラジレンセの併用は、小麦7,9,14,16におけるCd毒性への有望なアプローチを提供します。バーミキュライトは高いカチオン交換容量と保水特性を持ち、土壌構造を改善し、栄養供給を高め、土壌中のCdなどの金属の移動性を低下させます。一方、植物の成長促進性根茎菌であるA. brasilenseは、根の生理を調節し、植物ホルモンを産生し、さまざまな生化学経路を通じて有害金属の生体利用能を低下させることで、重金属毒性に対する植物耐性を高めます14。バーミキュライトとA. brasilenseを単一の管理戦略に統合することで、両方の強みを活かし、どちらか一方の成分だけを使うよりも効果的な相乗効果を生み出します17。バーミキュライトが土壌中にCdを固定する能力は、A. brasilenseがCdストレスに対する植物の防御機構を強化する役割を補完しています。さらに、バーミキュライトは土壌の通気性と水分レベルを改善し、根圏での細菌の生存と活動に不可欠なA. brasilenseの生存に適した環境を作り出すことができます。しかし、バーミキュライトとA. brasilenseがCdストレス下で小麦の成長および生理的機能に与える複合的な影響は、体系的に調査されていません。
この複合応用の必要性は、従来のCd毒性管理手法の限界から生じています。化学的改良剤の使用など、従来の方法は一時的な緩和にとどまり、環境に悪影響を及ぼすことがあります。バーミキュライトと A. brasilense の組み合わせは、Cd中毒を緩和するだけでなく、土壌全体の健康や植物の成長を改善し、小麦の収量、生理学、品質の向上につながる持続可能な解決策を提供します。バーミキュライトと A. brasilense の結合した小麦の成長およびCdストレス下での生理的機能への応用は、体系的に調査されていません。この知識ギャップを埋めるために、本実験の鉢実験では以下の仮説が検証されました。(H₁) バーミキュライトの散布は小麦組織内のCd蓄積を減少させ、成長と収量を向上させる;(H₂) A. brasilense の接種は生理機能(光合成速度、気孔伝導率、クロロフィル含有量)と栄養素の取り込みを向上させます。および(H₃)この組み合わせの適用は、単独の改良剤よりも大きな改善をもたらし、細菌の根の定着増加に伴います。本研究は直接的な現場適用ガイドラインを提供するものではなく、これらの質問は本実験の範囲を超えたフィールド試験を必要とするためです。
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本研究における植物の使用に関しては、すべての地域、国内、国際的なガイドラインと法令が遵守されました。試薬および使用機器は 材料表に記載されています。
実験的なレイアウトと材料
2023年から2024年の冬にかけて、パキスタンのクワジャ・ファリード工科情報技術大学農業工学部の建物屋上(北緯28.42度、東経70.30度)で、小麦作物におけるカドミウム(Cd)毒性を軽減するためのバーミキュライトと アゾスピリルム・ブラジレンセ の役割を調査するポット実験が実施されました。この実験では完全ランダム化デザイン(CRD)を用い、3回の再現を行いました。認可された小麦品種「Dilkash-20」は、地域に適した養子縁組研究農場ラヒム・ヤール・カーンから入手されました。1 x 1 x 1フィート(30.48 cm × 30.48 cm × 30.48 cm)の鉢が使用され、土は12kgでした。実験前に農学実験室で70%エタノールを用いた種子滅菌が行われました。種は2023年 11月10日に植えられました。各鉢に8粒の小麦の種を植え、4株は分かれ段階で維持されました。バーミキュライトは地元市場から入手され、土壌添加時に150g/kgの速度で塗布されました。 アゾスピリルム・ブラジレンセ は、パキスタン・ラホールのガバメントカレッジ大学ラホール(GCUL)から入手されました。 Azospirillum brasilense は、Zaheerらが報告した通り、小麦作物の種子接種に標準的な手順で施用されました。実験は9回の処理で構成されました(T0 = 対照(土壌改良なし、Cd毒性なし)、T1 = 土壌100 mg/kgのCd毒性、T2 = 土壌100 mg/kg+バーミキュライト、T3 = 土壌 100 mg/kg+ A. brasilense、T4 = 土壌 100 mg/kg+バーミキュライト+ A. brasilense、T5 = 土壌200 mg/kgのCd毒性、 T6 = Cd 200 mg/kg 土壌 + バーミキュライト、T7 = Cd 200 mg/kg 土壌 + A. brasilense、T8 = Cd 200 mg/kg 土壌 + バーミキュライト + A. brasilense)。実験現場の月平均気温(°C)と湿度(%)は 表1に示されています。実験開始前に土壌分析が行われ、土壌の性質は 表2に示されています。灌漑は、分諹、開花、穀物充填の各段階で必要に応じて施され、肥料も推奨通り均一に施されました。灌漑は水瓶を使った手作業で行われ、各鉢の土壌水分は70%に保たれ、干ばつストレスはありませんでした。肥料は農業省の推奨に従って施用されました(120-80-60kgのNPK ha-1)。肥料は各鉢の大きさに応じて計算されました。播種時にPとKの全量とNの半分投与を行い、残りの半分のNを耕す段階で投与しました。根と茎の長さの測定(播種後30日)の破壊採取は、初期収穫用の別鉢で行われました。これらのPOTは最終的な収量測定には使用されなかったため、初期の破壊サンプリングは後の収量データには影響しませんでした。実験の概略的なタイムラインは以下の通りです:0日目(土壌準備、Cdスパイク、バーミキュライト混合、種子接種、播種)、10〜30日目(qPCRの根採取)、30日目(根と枝の長さ)、85日目(採集:生理学的測定)、120日目(収穫:収量パラメータ)。植物サンプルは3つの時点で採取されました。播種後10日、20日、30日(DAS)ごとに、根を別々の鉢から採取しました。30 DASでは、根と枝の長さのために別々の鉢を破壊的に収穫しました。85 DAS(アンセシズ)では生理的パラメータが非破壊的に測定されました。120 DASでは最終収留量パラメータが記録されました。初期破壊サンプリング(10–30 DAS)に用いられたポットは収量測定には使用されませんでした。
カドミウムは塩化カドミウム(CdCl₂•2.5H₂O、分析グレード、純度≥98%)として適用されました。目標濃度の100 mg Cd kg⁻1および200 mg Cd kg⁻1土壌の必要量は、土壌の乾燥重量(鉢12kg)に基づいて計算されました。CdCl₂は鉢ごとに500mLの脱イオン水に溶け込み、機械式ミキサーで15分間土壌と十分に混ぜて均一な分布を確保しました。混合後、スパイクされた土壌はプラスチックで覆われた鉢に入れられ、室温(25 ± 2°C)で14日間平衡させ、3日ごとに定期的に混合してCdの種分化を安定させ、熟成を促しました。平衡期間中、土壌水分は圃場容量の70%に維持されていました。平衡後、代表的な土壌サンプル(1鉢あたり10g)を採取し、空気乾燥後、HNO₃/HClO₄(4:1、v/v)で分解し、原子吸収分光光度計を用いて実際のCd濃度を検証するために分析しました。測定されたCd濃度は、100 mg kg⁻1処理で3.2 mg kg⁻1±98.4、200 mg kg⁻1治療で197.6 ± 5.1 mg kg⁻1であり、目標レベルが達成されたことを確認しました。本研究で使用されたバーミキュライトの物理化学的性質と重金属含有量は表3に示されています。
| 月間 | 温度(°C) | 湿度(%) |
| 2023年11月 | 28 | 56 |
| 2023年12月 | 18 | 62 |
| 2024年1月 | 17 | 63 |
| 2024年2月 | 18 | 32 |
| 2024年3月 | 21 | 25 |
| 2024年4月 | 24 | 20 |
表1:2023年から2024年の実験現場の平均気温と湿度。
| パラメータ | 価値観(2023-24年) |
| 有機物 | 0.56% |
| pH | 7.42 |
| ECプログラム | 227 μS/cm |
| T.S.S. | 0.54% |
| Available-P | 5.21 ppm |
| Available-K | 119 ppm |
| 飽和率 | 34 |
| 土壌の分離:砂、シルト、粘土(%) | 36%, 40 %, 24 % |
表2:作物播種前の実験に使用された土壌の土壌特性。
| 財産 | 価値 | メタル | 濃度(mg kg⁻¹) |
| グレード | 園芸グレード | カドミウム(CD) | < 0.01(検出限界以下) |
| 粒子サイズ | 2-4 mm | 鉛(Pb) | 2.1 |
| pH(1:5 in H₂O) | 7.2 | 銅(Cu) | 1.8 |
| 陽イオン交換容量(CEC) | 85.4 cmolc kg⁻¹ | 亜鉛(Zn) | 5.3 |
| 水の保持容量(WHC) | 450%(勝負) | - | - |
| バルク密度 | 0.12 g cm-3 | - | - |
| 適用率 | 土壌150 g kg⁻¹(水量15%) | - | - |
| 鉢あたりの量(土12kg) | 1.8 kg | - | - |
表3:本研究で使用されるバーミキュライトの物理化学的性質および重金属含有量。
研究した特徴
植物の高さ、穂の長さ、穂ごい1本あたりの穂子数、穂ごい粒数、1粒あたりの粒数、1株あたりの粒量、1株あたりの穀粒収量など、すべての植物成長関連パラメータは、標準手順でメーターロッドと重量バランスを用いて手動で記録されました。生化学的解析(抗酸化酵素活性の決定)および生理学的解析(光合成速度、気孔伝導率、クロロフィル含有量、電解質漏れ(EL)、作物成長率(CGR)、葉面積指数(LAI))が開花期に行われました。根と枝の長さは、小麦の成長を30日後に確認しました。20日間の播種後、鉢に4本の植物を残すために植物を取り除くと、赤外線ガス分析装置(Cl-340)とクロロフィルメーター(CL-1)を用いて、それぞれ光合成速度、気孔伝導率、クロロフィル含有量を観察しました。電解質漏れ(EL)は、MussellとStaplesが報告した方程式18 で測定され、Zaheerらが報告した標準手順が採用されました。ELは次のように計算されました:EL (%) = (初期EC / 最終EC) ×100。ここで初期ECは25°Cで24時間の潜伏後に測定された電気伝導率、最終ECは121°Cで20分間オートクレーブされた後の導電率です。
溶存有機窒素(DOC)、溶存有機炭素(DOC)、土壌有機炭素(SOC)は標準手順19で測定されました。LAIとCGRは手順に従って確認されました。小麦植物によるN、P、Kの取り込みが、前回の報告で報告された手順で報告された21。
統計解析
この研究のすべてのデータは3回の再現から収集され、まとめられ、平均化されました。データはStatistic 8.1およびMicrosoft Excel 2010を用いて統計的に分析されました。データは一方向ANOVAを用いて分析し、その後 p≤ 0.05のフィッシャー最小有意差(LSD)検定を用いて平均分離を測定しました。データや結果に記載された異なる文字は、各治療間の統計的な違いを示しています。
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研究対象のすべての処理において、土壌改良により植物の高さ(PH)が有意に影響を受けました(表4)。最も高いpHはT0(199.44 cm)で、土壌改良やCd毒性がなかった状態で観察され、次いでT4(98.44 cm)で、Cd毒性が100 mg/kgの土壌で、バーミキュライトと A. brasilense を施用しました。土壌Cd毒性が200 mg/kgのT5で最低pH(82.37 cm)が認められました。また、Cd毒性の増加とともにpHが低下し、バーミキュライトと A. brasilenseの施布でPHが有意に増加することも観察されました。スパイク長(SL)は、Cd毒性の増加に伴い有意に減少しました。対照組(T0)で最も高いSL(11.41 cm)が観察され、次いでT4(10.67 cm)、最も低いSL(7.37 cm)がT5で観察されました。バーミキュライトとA. brasilenseの施布により、1粒あたりの小穂の数(NSPS)が増加しました。両方の修正条項を組み合わせて適用した方が、Cd応力条件...
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Cd毒性により、小麦22では測定されたすべての成長および収量パラメータが有意に低下しました。この成長抑制は、細胞分裂や伸長を妨げ、栄養吸収を妨げ、光合成効率を低下させるCd誘発性の酸化ストレスに起因します。同様に、1本あたりの小穂の数、1粒あたりの粒数、粒重、1株あたりの収量も、Cdストレス下で著しく減少しました。これらの発見は、栄養素の取り込み、光合成、バイオマス生産を含む植物生理学的プロセスに対するCdの影響を示す以前の研究と一致しています。バーミキュライト(T2およびT6)の添加により、Cd単独処理(T1およびT5)と比較してすべてのパラメータが改善され、Cd毒性の緩和に寄与する可能性が示されました。100 mg/kg Cdでは、バーミキュライトはT1と比較してそれぞれ4.2%、2.4%、8.9%の樹高、穂の長さ、穀物収量を増加させ...
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著者たちは競合する利害関係がないと宣言しています。この原稿の準備中、著者はChatGPTとGrammarlyを用いて論文の技術的および英語表現を改善しました。このツール/サービスを利用した後、著者は必要に応じて内容をレビュー・編集し、出版物の内容に対して全責任を負います。
著者らは、本研究のためにサウジアラビアのキングファイサル大学科学研究部副学長室(大学院・科学研究担当副学長)からの資金援助に感謝の意を表しています(助成金番号:KFU263053)。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 原子吸光分光光度計（AAS） | PerkinElmer、米国 | AAnalyst 800 | 土壌中のCd濃度検証 |
| Azospirillum brasilense | ラホール政府大学（GCUL）、パキスタン | GCUL培養コレクションから入手可能 | 種子接種 |
| 塩化カドミウム（CdCl2·2.5H2O） | Merck、ドイツ | CAS番号 7790-78-5 | Cdストレス誘導 |
| クロロフィルメーター | 未指定 | CL-1 | クロロフィル含有量測定 |
| DNeasy PowerSoil Kit | QIAGEN、ヒルデン、ドイツ | Cat. No. 12888-100 | 根からのDNA抽出 |
| Excel 2010 | Microsoft、米国 | バージョン 14.0 | データ編集と基本的な統計 |
| 赤外線ガス分析計（IRGA） | 未指定 | CI-340 | 光合成速度と気孔伝導度 |
| nifH特異的プライマー | カスタム合成 | テキストで提供された配列 | qPCR増幅 |
| ニンヒドリン | Sigma-Aldrich、米国 | CAS番号 485-47-2 | プロリン含有量測定 |
| QuantStudio 5リアルタイムPCRシステム | Applied Biosystems、米国 | QuantStudio 5 | qPCR分析 |
| 分光光度計 | 未指定 | 未指定 | プロリン含有量測定 |
| Statistik 8.1 | Analytical Software、米国 | バージョン 8.1 | 統計解析（ANOVA、LSD） |
| SYBR Green Master Mix | Applied Biosystems、米国 | Cat. No. 4309155 | qPCR検出 |
| バーミキュライト（園芸グレード） | ラヒム・ヤル・カーン、パキスタンのローカル市場 | 該当なし | 土壌改良 |
| 小麦品種「Dilkash-20」 | ラヒム・ヤル・カーン、パキスタンの適応研究農場 | 地元で承認された品種 | 植物材料 |