干ばつに耐えられる作物は？ナノセンサーが手がかりになるかもしれない

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農作物にとって、気候変動は文字通り深刻化する問題です。

地球温暖化は、世界中で干ばつが悪化する可能性を高めています。米国では、大豆、トウモロコシ、小麦の生産が危機に瀕しており、将来も水資源はそれほど潤わないでしょう。水不足が続く中、私たちは水をより効率的に管理できる作物の栽培を試みるべきかもしれません。「今日の大きな焦点は、気候変動に対応した品種改良です」と、コーネル大学の化学・生体分子工学教授であるアブラハム・ストロック氏は述べています。「私たちは、未来の、そして今日の世界の多くの地域での暑く乾燥した気候に耐えうる新たな形質とその遺伝的起源を発見したいと考えています。」

しかしまず、研究者たちは既存の植物がどのように水の流れを管理しているかをより深く理解する必要があります。ストロック氏と彼の同僚は、微小な蛍光色素を用いて植物組織内の水の動きを可視化する「アクアダスト」と呼ばれるナノスケールセンサーを開発しました。これは、育種家や生物学者が微視的レベルで作物の健康状態を評価するための、侵襲性の低い方法です。彼らの研究は、 6月に米国科学アカデミー紀要（Proceedings of the National Academy of Sciences）に掲載された新しい論文で説明されています。

水は植物にとって不可欠です。細胞の水分を保ち、光合成に不可欠です。しかし、水は常に緊張状態にあります。植物は土壌から水を吸い上げ、葉へと吸い上げようとします。同時に、周囲の大気は、特に高温乾燥しているときには、蒸発によってその水を奪い取ろうとします。この緊張状態を表す指標は「水ポテンシャル」と呼ばれます。植物の水ポテンシャルを知ることは重要です。なぜなら、水ポテンシャルは成長、収量、そして水分の損失と二酸化炭素の吸収の微妙なバランスと相関関係にあるからです。干ばつ時には、水ポテンシャルが非常に低い植物は枯れてしまう可能性があります。

現在、この張力を測定するためのゴールドスタンダードは、ショランダー圧力チャンバーと呼ばれる器具です。この器具は、開いた弁当箱ほどの大きさと形状で、圧力計とサンプル室、そして加圧ガスの外部タンクを備えています。チャンバーに葉を密封した後、研究者は圧力を上げて植物から液体を押し出し、測定値を取得します。しかし、この技術は数十年前のものであり、重量も大きく、葉全体の測定値を取得したい場合は葉を切り取って破壊する必要があると、PNAS論文の共著者であり、コーネル大学デジタル農業研究所の副所長であるストロック氏は述べています。

そこでストロック氏のチームは、葉を生かし続けるという異なるアプローチをとっている。

彼らはまず、「アクアダスト」と名付けたナノ粒子の開発から始めた。これは、水分量の変化に応じて膨張したり収縮したりするハイドロゲルでできた微小なセンサーで、この粒子を溶液に混ぜるとピンク色の液体を作ることができる。

本研究では、研究者らはトウモロコシの葉に溶液を注入した。トウモロコシが世界の食糧供給に不可欠な作物であることも理由の一つとして、この実験が選ばれた。ナノセンサーは葉の細胞の外側を覆い、利用可能な水分量に応じて膨張したり収縮したりした。

アクアダストに含まれる染料分子は、互いの距離に応じて異なる波長で蛍光を発し、これらの波長は分光計と呼ばれる機器で測定できます。水が豊富に存在する場合、ナノ粒子は膨張し、染料を押し広げて、染料が発する緑色の波長にピークが生じます。水があまりない場合、ナノ粒子は収縮し、染料同士が接近して黄色の波長にピークが生じます。研究者たちは、この発光スペクトルの測定値を水ポテンシャルの測定値に変換することができます。しかも、植物に害を与えることなく測定が可能です。

この技術は葉の様々な場所に適用でき、水の流れを追跡できると、研究共著者でコーネル大学機械工学博士課程のピユシュ・ジェイン氏は言う。「これにより、茎から葉の様々な部位に至るまで、様々な組織を通る水の流れを基本的にモデル化することが可能になります」と彼は言う。

研究者たちは、アクアダストの測定を葉の表面直下の領域に焦点を合わせました。植物はここで二酸化炭素を吸収し_、大気中に水蒸気を放出し、光合成で生成された糖をパッケージングするなど、重要な機能を果たしています。水管理をより適切に行う作物を育種するには、このような重要なポイントにおける水の生物学的性質と挙動をより深く理解することが非常に役立つと研究者たちは述べています。

最終的には、この技術は畑や温室の作業員など、現実世界の様々な場面で活用されるようになるかもしれません。将来的には、畑にアクアダストを散布し、マルチスペクトルカメラを使って数百本の植物の水分ポテンシャルを迅速に測定できるようになるかもしれません。

まだ遠い未来の話ではありますが、アクアダストは有用な技術のように思えます、とウィスコンシン大学マディソン校の園芸学教授アーウィン・ゴールドマン氏は言います。ゴールドマン氏は今回の研究には関わっていません。「あらゆる種類のリモートセンシング技術、今回の場合はナノセンサーですが、それを使うことは大きな飛躍です」とゴールドマン氏は言います。「この技術はまさに未来だと感じています。」

ゴールドマン氏によると、育種家たちは長らく干ばつ耐性作物の開発に注力してきた。「少なくとも過去15年間、植物育種コミュニティでは、育種プログラムの一環として、作物のより強い回復力を求める選抜を取り入れる必要があるという認識が広まっており、単に高収量や高品質、あるいは耐病性といったものを育種するだけでは不十分だ」と彼は言う。しかし、どの植物が水分損失に最も強く、どの遺伝子がその回復力と関連しているかを特定し、それを優れた栄養価や風味といった他の望ましい形質と組み合わせるまでには、長いプロセスが必要になるだろうと彼は指摘する。「遺伝子を特定できれば非常に役立ちますが、必ずしもプロジェクトの最後まで到達できるわけではありません」と彼は言う。「まだ有用な組み合わせを見つけなければなりません」

今のところ、アクアダストは主に研究ツールであり、農家や育種家が例えば1時間で1,000本の植物を評価できるような大規模展開には至っていません。まず、注入した溶液自体に水分が含まれているため、測定を行う前に蒸発させる必要があります。「葉が自然な状態に戻るまで約1日待ちます」とジェインは言います。

AquaDustのアプリケーションと読み出し方法は、ハイスループット測定や製品化に向けてさらに改良される必要がある。しかし、その間、植物体内の水の流れを正確に捉えることができれば、研究者がいくつかの謎を解くのに役立つかもしれない。その一つは、植物が葉の最内層である葉肉を乾燥させることがあるのかどうかだとStroock氏は言う。長年、植物は葉肉の乾燥を避けるというのが通説だったが、他の研究室による間接的な測定によって、その可能性があることが示唆されている。AquaDustを使ってこれを直接検証できれば、植物がどのように水分を管理し、乾燥した内部組織によって引き起こされるストレスにどのように対処するかについての理解が根本的に変わる可能性があるとStroock氏は言う。

「商業化よりも優先すべき、研究室で解明すべき非常に興味深い疑問がたくさんあると考えています」とストロック氏は語る。「今のところ、アイオワ州の農家から『畑にアクアダストを撒いてもいいですか？』と相談されることはありません。」

農家の人たちはおそらく雨が降ることをただ願っているだけでしょう。しかし、いつかその希望が枯渇した時、ナノセンサーのような技術が彼らを助けるかもしれません。

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