Calcium silicate effects on wheat phosphorus nutrition depend on phosphorus-source chemistry
本研究は、ケイ酸カルシウム添加物が小麦のリン栄養を向上させる有効性は、リン供給源の化学形態に強く依存しており、当該添加物は、バルクのリン放出によるものではなく、植物および根圏を介したメカニズムを通じて、主にヒドロキシアパタイトまたは可溶性KH2PO4としてリンが供給される場合に、成長と吸収を著しく促進することを示している。
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植物が成長するためにはリンが必要です。これは通常、土壌中の溶存化学物質として根から吸収される栄養素です。しかし、多くの畑では、この不可欠な元素が土壌粒子に結合して固定されており、根が容易に届かない形となって取り残されています。農家はこれを解決するために肥料を添加することがよくありますが、加えられたリンの大部分は結局再び閉じ込められてしまい、追加コストを支払っているにもかかわらず、作物は栄養不足の状態に置かれたままになります。科学者たちは、大量の新しい肥料に頼ることなく、植物がこれらの頑固でロックされた蓄えを利用できるようにする方法を長年模索してきました。一つの有望な助け手は、砂や岩石に含まれる一般的な元素であり、小麦のような多くのイネ科植物が積極的に吸収するケイ素です。ケイ素は植物の茎を強化し、ストレスへの耐性を高めることが知られていますが、リンの栄養状態を改善する能力については、これまでの研究では、助けになることもあれば、全く効果がないこともあるという、一貫性のない結果が出てきました。
イスラエルの農業研究機構の研究チームは、なぜケイ素の効果にこれほど大きな差が出るのかを理解するために調査を行いました。彼らは、その答えは植物が摂取しようとしているリンの特定の化学形態にあるのではないかと疑いました。これを検証するため、彼らは植物が受け取る栄養を正確に制御できる中立的な媒体である清潔な砂を用いたポットの中で小麦を栽培しました。彼らは小麦に対し、即座に溶解する非常に溶解度の高い形態、鉄と結合した形態、カルシウムと結合した形態、そしてリンを全く添加しないという、4種類の異なるタイプのリンを提供しました。これら4つのシナリオのそれぞれにおいて、半分はケイ素の効果がカルシウムによるものではなくケイ素によるものであることを確実にするために、ケイセカルシウム添加剤を加え、残りの半分にはカルシウムのみの処理を行いました。
結果は、ケイ素が単一の普遍的なブースターとして機能するわけではないことを明らかにしました。むしろ、その影響はリンの供給源の化学的性質に完全に依存していました。カルシウム結合型のリン（通常、根がアクセスするのが非常に困難なもの）を与えられたとき、ケイ素の添加は植物のパフォーマンスを劇的に変えました。ケイ素がない場合、小麦は苦戦し、葉や根の質量はほとんど増えませんでした。しかし、ケイ素を加えると、植物は急成長し、地上部のバイオマスは85％増加し、根の質量は86％増加しました。これらの植物は、シュート（茎葉部）にも56％多くのリンを蓄積しました。ケイ素は、小麦が以前は手の届かなかった食料源を解錠するのを助けたようです。
対照的に、すでに掴みやすい状態である可溶性リンを与えられたとき、ケイ素は依然として植物の成長を助け、地上部バイオマスを65％増加させました。しかし、根の反応は異なっていました。植物はより長い根系を発達させましたが、必ずしも根の重量が増えたわけではありませんでした。鉄結合型のリンを与えられたグループでは、植物はケイ素がなくてもすでに順調に成長していました。このグループにケイ素を加えてもサイズの大幅な向上は見られませんでしたが、葉への鉄とマンガンの蓄積量は急増しました。リンを全く添加しなかったポットでは、ケイ素は成長にほとんど影響を与えませんでした。
土壌の中で何が起きているのかを理解するために、研究者たちは植物を用いない別の実験を行い、砂とリン鉱物をケイ素添加剤と混合して、化学反応だけで栄養素が放出されるかどうかを確認しました。その結果、彼らは予想とは逆の結果を見出しました。ケイ素添加剤は水のpHを上昇させ、溶存リンの量を、場合によっては最大98％も劇的に減少させたのです。これは、ケイ素が鉱物を溶解して、根が吸収するための栄養の奔流を水中に放出しているわけではないことを意味します。むしろ、ケイ素は土壌溶液中のリンをさらに強く閉じ込めていたのです。
この発見は、植物自身がより能動的な役割を果たしていることを示唆しています。ケイ素がバルク水（大量の水）中にリンを放出しなかった以上、カルシウム結合型リンのグループで見られた劇的な成長は、根の表面での変化に由来しなければなりません。研究者たちは、ケイ素処理された小麦が、より広範囲の土壌を探索できる、より大きく粗い根系を発達させていることを観察しました。ケイ素は、小麦が自身の根の構造を、そしておそらく根の周囲の環境を変化させることを助け、化学的な溶解ではなく生物学的な手段によって、この頑固なカルシウム結合型リンにアクセスできるようにしたと考えられます。この研究は、ケイ素があらゆる状況で同様に機能する魔法の弾丸ではなく、むしろ、植物の生物学と土壌の化学が一致したときにのみ、ロックされた栄養源を生存可能な食料源へと変える、小麦と異なる種類のリンとの相互作用を変えるための特定のツールであることを示しています。
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