農家は長年、暴風雨と植物の病害発生との相関関係に注目してきました。「さび病」として知られる真菌性寄生体は、雨の後に特に勢いよく繁殖し、小麦の葉を侵食して収穫量を減少させる可能性があります。
過去の気象記録からは、降雨によってさび病菌などの病原体が植物集団全体に広がる可能性が示唆されていますが、その仕組みはこれまで解明されていませんでした。
掲載された論文で、 Journal of the Royal Society Interface において、MITとベルギーのリエージュ大学の研究チームは、汚染された液体で覆ったさまざまな葉に雨滴が落ちてはねる様子を高速撮影した画像を発表しました。高解像度の映像から、雨滴は分散媒として働き、場合によっては汚染された液滴を葉から遠くまで飛ばすことが分かります。
研究者らは特徴的な分散パターンを観察し、その飛散範囲は植物の機械的特性、とりわけ柔軟性に左右されることを明らかにしました。
MITの土木・環境工学科でエスター・アンド・ハロルド・E・エジャートン・キャリア開発助教を務めるリディア・ブルーイーバは、植物の機械的特性と病気の拡散との関係を理解することが、農家による病害に強い圃場づくりに役立つ可能性があると述べています。
「植物の成長段階に応じて、相補的な機械的特性を持つ種を交互に植える混作を、賢く再構想する方法を考え始められます」と、論文の上席著者であるブルーイーバは言います。「先住民の文化に目を向ければ、混作は古くからある概念です。しかし、1つの圃場で植物を交互に植えることで、降雨時の病原体の伝播範囲を機械的かつ自然に縮小できることを科学的に示す方法の1つです。」
病害発生時の流体力学を追跡する
論文でブルーイーバとリエージュ大学のトリスタン・ジレは、まず広く信じられている仮説、すなわち病原体は葉を薄い膜で覆うという考えを検証しました。
研究チームは、ツタ、竹、ペパーミント、バナナの葉など、一般的な植物の葉を何十種類も使って実験しました。実際の葉30種類と人工的に作製した材料12種類を用い、葉の種類ごとに数百回の実験を行いました。初期の試験では、小さな穴を開けた容器に水を通して降雨を再現しました。容器は数メートル上空に吊り下げ、落下する水滴が終端速度、つまり実際の雨滴が衝突する際の速度に達する高さに設置しました。
研究者らは毎秒1,000コマの高速撮影で、雨滴がそれぞれの葉に当たる一連の動きを記録しました。ブルーイーバとジレは画像から、水が降り注いでも葉は薄い膜を保てず、代わりに表面に水滴が形成されることを確認しました。そこから研究チームは、病原体も葉の表面では膜ではなく液滴として存在するはずだと結論づけました。
「最初は小さな違いに思えるかもしれません。しかし、断片化の流体力学や、感染した葉の周囲に生じる汚染範囲を見ると、病原体が放出される仕組みに関わる力学は大きく変わります」とブルーイーバは述べます。
こうした力学の違いを観察するため、研究チームはまず、薄い膜で覆った平らな表面に雨を降らせる状況を再現しました。水滴がこの表面に当たると、膜状の物質が王冠のような形に飛び散りましたが、その大半は近傍にとどまりました。一方、葉に膜ではなく液滴が付着した状態で雨滴が当たると、その液滴は遠くまで飛び散ることが分かりました。
三日月形からカタパルトまで
雨滴が表面の液滴に及ぼす影響をより詳しく調べるため、研究者らは別の実験を行い、病原体の代わりとなる色水を葉に点々と付けました。次に、レーザーを使って葉のどこに雨滴を落とすかを精密に調整し、雨粒1滴を模した実験装置を作りました。
これらの実験から、ブルーイーバとジレは主に2つの分散パターンを観察しました。1つは三日月形の配置で、雨滴が衝突時に平らになって着色した液滴の下に滑り込み、それを三日月形に似た弧を描いて上方へ飛ばします。もう1つは慣性による剥離です。雨滴は着色液滴に実際には触れず、葉を押し下げます。その結果、着色液滴は下方へ滑り、葉が跳ね返る際の慣性によってカタパルトのように飛び出します。
さまざまな葉に雨滴が当たる様子を何百回も記録した後、ブルーイーバとジレは、液滴が三日月形の配置をとるか、慣性による剥離を起こすかは、主に葉の柔軟性という1つの特性によって決まることに気づきました。一般に、葉がしなやかであるほど、液体を広い弧、つまり三日月形に飛ばす効果は低いと分かりました。しかし、ある柔軟性の水準で三日月形のパターンは慣性による剥離へと変化しました。この場合、三日月形で生じるものより大きな液滴が葉からさらに遠くへ飛ばされました。
研究者らは観察結果をもとに、葉の柔軟性、液体の断片化、そして雨滴によって誘発される分散パターンの関係を定量的に捉える理論モデルを開発しました。ブルーイーバによると、このモデルは将来的に、農家が作物を交互に植える圃場を設計する助けになる可能性があります。混作では従来、病原体への抵抗性が異なる植物を交互に植えて病気の拡散を抑えてきましたが、植物本来の機械的特性も、生物学的な免疫とは別に、病気の拡散を抑えるのに役立つ可能性があるとブルーイーバは述べています。
「これを最適な形で実施できれば、理想的には拡散を隣の植物1株だけにとどめ、そこで病気を終わらせられるでしょう」とブルーイーバは言います。「ある植物が盾の役割を果たして汚染されても、その機械的特性によって病原体を次の植物まで飛ばせない可能性があります。そうすれば、農地を有効に使いながら、ある種における拡散の効率を下げられるでしょう。」
コネチカット農業試験場（ニューヘイブン、コネチカット州）の植物病理学・生態学の名誉研究員ドン・エイラーは、ブルーイーバの研究成果は、特に小規模な植物集団で病害を抑えるのに役立つ可能性があると述べています。
「近接して植えられることが多いイチゴのような小型植物の作物について、株間の距離を決める助けになるかもしれません」と、研究に参加していないエイラーは述べます。「農家は、こうした作物でよく使われるプラスチックマルチに水滴がはねる影響も考慮する必要があります。総じて、これは優れた研究であり、今後さらに検討する価値のある知見を示しています。」
この記事は、 MIT Newsとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味しません。
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著者：ジェニファー・チューはMIT Newsのゲスト寄稿者です。
画像：タスマニア州北西部、ローンセストン郊外の農地の上空に雲が見える。REUTERS/David Gray。
