MITのエンジニアチームは、非生産的な土壌での発芽を助けるため、細菌で処理したシルクで種子をコーティングしました。
現在、研究チームは、土壌から水分を吸収するコーティングを用いて、種子の干ばつへの耐性を高める新しいコーティングの開発に取り組んでいます。
発芽中の植物に必要な栄養素も供給する保護コーティングを種子に施すことで、そうでなければ非生産的な土壌でも作物を栽培できるようになる可能性があると、MITの新たな研究で明らかになりました。
エンジニアのチームは、発芽中の植物の発育を助けるため、窒素肥料を自然に生成する一種の細菌で処理したシルクで種子をコーティングしました。試験の結果、これらの種子は、未処理の種子では正常に発育できないほど塩分の多い土壌でも、うまく生育できることが示されています。研究者らは、低コストで適用でき、特殊な設備も必要としないこの手法によって、現在は農業に適さないとされている土地でも農業が可能になることを期待しています。
この研究成果は今週、学術誌PNASに掲載されます。論文の執筆者は、大学院生のAugustine Zvinavashe（’16）とHui Sun、博士研究員のEugen Lim、そして土木環境工学教授のBenedetto Marelliです。
この研究は、食用作物の種子の保存期間を延ばす手段としてシルクコーティングを用いる、Marelli氏の以前の研究から生まれました。「その研究を行っている際に、土壌中の栄養素量を増やすために使用できるバイオ肥料に偶然出会いました」と同氏は語ります。これらの肥料は、特定の植物と共生する微生物を利用し、空気中の窒素を植物が容易に吸収できる形に変換します。
このアプローチは植物の作物に自然由来の肥料を提供するだけでなく、他の施肥方法に伴う問題も回避できると同氏は述べています。「窒素肥料の大きな問題の一つは、製造に多大なエネルギーを必要とするため、環境への影響が大きいことです」。Marelli氏によると、こうした人工肥料は土壌の質にも悪影響を及ぼす可能性があるといいます。
これらの窒素固定細菌は世界各地の土壌に自然に存在し、地域によって異なる種類が見られますが、自然の土壌環境の外では保存が非常に困難です。しかし、シルクは生物材料を保存できるため、Marelli氏と研究チームは、根粒細菌として知られるこの窒素固定細菌で試すことにしました。
「この細菌を種子コーティングに使うというアイデアを思いつきました。種子が土壌に入ると、細菌が活性化するはずです」と同氏は語ります。ただし、予備試験は良好な結果にはなりませんでした。細菌は期待どおりには保存されなかったのです。
そのとき、Zvinavashe氏は、一部の生物が水分の少ない環境で生き延びるために利用する糖の一種であるトレハロースという特定の栄養素を混合物に加えるというアイデアを思いつきました。シルク、細菌、トレハロースはすべて水に懸濁され、研究者らは種子を溶液に数秒間浸すだけで均一なコーティングを作りました。その後、種子はMITと、モロッコのベン・ゲリルにあるMohammed VI Polytechnic Universityが運営する研究施設の両方で試験されました。「この技術が非常にうまく機能することが示されました」とZvinavashe氏は述べています。
Marelli氏によると、細菌による継続的な肥料生成の助けにより、生育した植物は未処理の種子から育ったものよりも健康な状態で発育し、現在は農業に適さない圃場の土壌でもうまく生育したとのことです。
研究者らによると、こうしたコーティングは、種子を浸漬するか、スプレーで塗布することで施すことができます。どちらの工程も、通常の常温・常圧で行うことができます。「この工程は迅速かつ簡単で、拡張可能な可能性があります」と、Zvinavashe氏は述べています。これにより、大規模農場や経験の浅い栽培者も利用できるようになる可能性があるとのことです。「種子は数秒間浸漬するだけでコーティングできます」と同氏は語り、コーティングの厚さはわずか数マイクロメートルになるとしています。
使用される通常のシルクは「水溶性であるため、土壌に触れるとすぐに細菌が放出されます」とMarelli氏は語ります。それでも、このコーティングは、通常であれば正常な生育を妨げるほどの塩分濃度の土壌でも、種子が発芽できるだけの保護と栄養を提供します。「本来は何も育たない土壌で育つ植物を実際に確認しています」と同氏は述べています。
これらの根粒細菌は、通常、インゲンマメやヒヨコマメなどのマメ科作物に肥料を供給しており、これまでの研究もそれらに焦点を当ててきました。しかし、他の種類の作物にも適応させられる可能性があり、それも研究チームの継続的な研究の一部です。「根粒細菌の利用を非マメ科作物にも広げようとする大きな動きがあります」と同氏は述べています。その方法の一つとして、細菌、植物、あるいはその両方のDNAを改変することが考えられるが、それは必要ないかもしれないとのことです。
「私たちのアプローチは、植物や細菌の種類をほぼ問わないものです」と同氏は述べ、他の種類の植物についても、「[細菌を]安定化、カプセル化して土壌に届け、発芽にとってより穏やかな環境にする」ことが実現可能かもしれないとしています。
マメ科作物に限定されたとしても、この手法は塩分を含む土壌が広範囲に広がる地域にとって、依然として大きな違いを生み出す可能性があります。「モロッコでの共同研究で見られた反響に基づくと」とMarelli氏は述べ、「これは非常に大きな影響をもたらす可能性があります」と続けました。
次のステップとして、研究者らは、塩分を含む土壌から種子を守るだけでなく、土壌から水分を吸収するコーティングを用いて干ばつへの耐性を高める新しいコーティングの開発に取り組んでいます。一方、来年からはモロッコの屋外実験圃場で試験栽培を開始する予定です。これまでの栽培は、より管理された条件下で屋内で行われてきました。
この研究は、部分的に、Université Mohammed VI Polytechnique-MIT Research Program、Office of Naval Research、およびOffice of the Dean for Graduate Fellowship and Researchの支援を受けています。
