農業における画期的な発見により、根が硬く締まった土壌に入り込みにくい理由の説明が進んだ。
地中深くまで根を伸ばして養分の豊富な土壌にアクセスできないことは、農家の収量を25%失わせる可能性がある。
これまでは、根が強度不足のため土壌に入り込めないと理解されていた。
しかし研究によると、実際の原因は「オフにできる」生物学的シグナルにある可能性がある。
長年、根は硬い土壌では物理的に押し進むことが難しいため、深く伸びないというのが一般的な考え方だった。しかし私たちの新たな研究により、もう一つの理由が明らかになった。根の成長は生物学的シグナルによって制御されており、そのシグナルは「オフ」にすることができ、根が締まった土を突き破れるようになるのだ。これは、最も損傷の激しい土壌でも作物が育つことを助けるかもしれない発見である。
土壌の締め固めは現代農業が直面する大きな課題であり、その一因は農業機械の重量増加にある。農業機械は一季節に同じ場所を何度も通過する。上の土の重みで押し潰された深い層も強く締め固められ、根が水分や養分の豊富な層まで到達しにくくなる。水分と養分の豊富な地層まで浸透すること。
この土壌の締め固めの影響は甚大である。根の成長を妨げ、根の成長を低下させ、水分と養分の吸収に悪影響を及ぼすため、土壌の締め固めは最大25%の収量損失を引き起こす可能性がある。英国だけでも、土壌の締め固めに関連する損失は毎年4億ユーロ（3億5,500万ポンド）から6億5,000万ユーロと推定されている。
気候変動によって、これらの損失はさらに拡大する見込みである。締め固めが干ばつと重なると、作物の収量は最大75%減少する可能性があり、農家には数十億ドルの損失が毎年生じると推定されている。干ばつが増えるにつれ、こうした課題に強い作物の開発はますます重要になる。
世界中の農家にとって明らかに重要であるにもかかわらず、締め固められた土壌で根の成長が妨げられる仕組みは、これまで不明なままだった。高度に締め固められた土壌に入り込めない根は、単純に弱すぎて入り込めないと考えられてきた。しかし私たちは、植物ホルモンのシグナルに対する感受性が阻害されると、根が実際には高度に締め固められた土壌にも入り込めることを発見した。
根の突破口
私たちの研究では、このシグナルまたは「スイッチ」はエチレンというホルモンによって制御されていることがわかった。エチレンは植物の根の先端からガスとして放出される。ゆるく締まっていない土壌では、このガスは自由に土中へ拡散する。しかし硬く締まった土壌では、エチレンガスは拡散できず、根の先端が占める領域に閉じ込められ、その結果、根の組織内部にエチレンが蓄積する。
私たちの研究によると、このエチレンの蓄積により、根は締め固められた土壌でそれ以上長く伸びなくなる。したがって、エチレンは締め固められた土壌への根の伸長を止める、非常に明確な「停止」シグナルとして作用する。
実験では、エチレンシグナルを感知できなくなる特定の遺伝子変異を持つ植物を用いた。その結果、根は締め固められた土壌に入り込む能力を持っていながら、エチレンに基づく停止シグナルに直面すると入り込まないことを選択することがわかった。
私たちは、砂と粘土という性質の大きく異なる二種類の土壌と、イネとシロイヌナズナという二種類の大きく異なる植物を用いて研究を行った。シロイヌナズナ（ナタネの近縁種）。異なる土壌と植物で同じ挙動が見られたことから、これらの知見は他の作物、土壌の種類、地域にも広く応用できる可能性が示唆される。
私たちの発見は、締め固めに強い新たな作物の選抜への新しい機会をもたらす。これは、「遺伝学の父」と呼ばれるグレゴール・メンデルが、初めてエンドウの異なる品種を選択的に交配したのと同様である。育種家は、根がエチレンに対する感受性の低い品種を選別し、この特徴を持つ新たな植物を作出することが今や容易になった。
ただし、このホルモンシグナルは病原体への抵抗性など他の植物の働きにも重要であるため、植物全体ではなく根の先端組織におけるエチレン応答のみを阻害するよう、より標的を絞った遺伝子編集や遺伝子組換え（GM）の手法を採用することも考えられる。これらの異なる手法のうち、どれが最も効果的であるかは今後明らかになるだろう。
農業の振興
私たちの発見は、特に集約的な農業において土壌の締め固めが依然として慢性的な問題であることを踏まえると、世界中で作物の収量を守り、あるいは増加させる可能性を持つ。欧州だけでも、農地6,800万ヘクタールのうち3,600万ヘクタールが土壌の締め固めが起きやすい状態にある。
より深い根を持つ作物は、この締め固められた土壌へより深く入り込むことで、明らかな利点を多数もたらす。第一に、作物の根はこれまで届かなかったより深い土層の養分源にアクセスできるようになる。これにより、より大きく健康な作物の成長が支えられる。
第二に、根系がより広範囲に広がる作物品種は、より信頼性の高い水源を確保できるようになり、気候変動によって増加が見込まれる干ばつストレス時の回復力が高まる。最後に、モデル化により、より深い根を持つ作物は土壌により多くの炭素を固定し、地球の大気から炭素を隔離して気候変動を抑制する取り組みに貢献することが示唆されている。
根が硬い土壌へどのように入り込むかについての新たな理解は、締め固めに対してより強い新種の作物を育種するうえで重要な一歩となる可能性がある。私たちは、こうした作物が、世界各地における主要な土壌ストレスや損傷に関連する収量損失の削減に役立つと考えている。
