High temperature during anthesis affects the salinity tolerance of quinoa under field conditions

中東や中央アジアの乾燥した風景の中で、土壌はしばしば塩分を含み、空気は乾燥しているため、農家は食料を育てるか、あるいは土地を休耕させるかという困難な選択に直面しています。数十年にわたり、世界はその人口を養うために小麦や米といったわずかな主要作物に依存してきましたが、これらの植物は土壌が塩分を含んでいたり空気が暑すぎたりすると脆弱です。気候が変化し気温が上昇するにつれ、弾力性のある代替品への探索は、アンデス山脈の控えめな種、キヌアへと向けられました。この植物は単なるタンパク質や栄養素の供給源ではありません。それは「生存者」なのです。他の作物が枯れてしまうような過酷な条件下でも、小麦の畑を死滅させてしまうような塩分を含む土壌でも、キヌアはたくましく成長します。科学者たちは、キヌアが塩分に耐えられることを古くから知っていましたが、特に天候が悪化した場合に、現実の世界で具体的にどの程度の塩分まで耐えられるのかを予測することには苦慮してきました。問題はもはや、キヌアが塩分を含む土壌で育つことができるかどうかではなく、この作物が最も必要とされている地域でますます一般的になりつつある「塩分と極端な熱」という二重の打撃に、果たして生き残ることができるのかという点にあります。

これに答えるため、イランの研究者たちは、5種類の異なるキヌアの品種を、2年間にわたる実際の圃場条件下でテストすることに乗り出しました。彼らは、厳しい気候で知られる中央高原の砂質壌土に種を蒔きました。研究チームは、灌漑に使用する水の塩分濃度を操作できる制御された環境を作り出し、真水から海水と同じくらいの塩分レベルまでをテストしました。彼らは、作物がどのように機能するかを見るために、2017年と2018年の2つのフルシーズンにわたって植物を育てました。初年度は比較的穏やかでしたが、2年目には予想外の事態が起きました。植物にとって最も重要な時期、つまり開花し、種子に穀物を蓄えている時期に、激しい熱波が襲ったのです。この自然な変動により、科学者たちは同じ植物が、通常の年と熱が深刻な年において、それぞれどのように塩分に反応するかを比較することができました。

結果は、この植物の限界を明確に描き出しました。比較的涼しかった2017年には、キヌアは良好なパフォーマンスを示し、中程度の塩分を含む土壌でも健康な収穫を実現しました。植物は高く成長し、種子は重く、かなりの量の穀物をもたらしました。しかし、物語は2018年に劇的に変わりました。開花期に高温が襲ったとき、植物の種子生産能力は崩壊しました。平均的な種子収量は、初年度の1平方メートルあたり約400グラムから、2年目には1平方メートルあたり76グラム未満へと激減しました。熱は単に穀物の量を減らしただけでなく、植物の優先順位を変えてしまいました。種を作ることにエネルギーを注ぐ代わりに、植物は葉や茎を成長させることに集中し、その結果、大量の藁（わら）はできたものの、収穫はほとんど得られませんでした。形成された種子はより小さく軽くなり、植物は土壌中の塩分に対して非常に敏感になりました。

研究者たちが発見したのは、熱ストレスがキヌアの塩分への対処法を根本的に変えてしまったということでした。涼しい年、植物は高いレベルの塩分を耐えることができ、一部の品種はかなり塩分を含んだ土壌でも良好な収量を示しました。しかし、熱が到来すると、植物の耐性のダイナミクスは変化しました。収量が減少し始める閾値（しきい値）は、熱ストレス下で混在した結果を示しました。Sadoqのような遺伝子型では閾値が上昇しましたが、NSRCQEのような他の品種では低下しました。しかし、全体として収量減少の傾斜ははるかに急になりました。すなわち、閾値を超えて塩分が加えられるごとに、暑い年における収量の減少は、涼しい年よりもはるかに速くなりました。本質的に、ストレスの開始点は品種によって異なりますが、その地点に達した後のダメージは、塩分によってより深刻なものとなったのです。これにより、植物は全体としてより脆弱になりました。研究は、特に開花期と種子充填期において、熱ストレスと組み合わさった際のキヌアの塩分に対する感受性が著しく増加することを明らかにしました。

また、この実験は、すべてのキヌアの品種が平等ではないことも浮き彫りにしました。Sadoqという名の品種のような系統は、両方の年で高い種子生産能力を示しましたが、この回復力のある品種でさえ、暑い年には大幅な収量の減少に見舞われました。他の品種は一貫性に欠け、ある年では良好に機能し、翌年には振るわないものもありました。研究者たちは、大きな種子を作る能力が熱に対して特に脆弱であることを観察しました。大きな種子の割合は、暑い年にはほぼ4分の1減少しました。この不一致は、単に塩分を含む地域にキニヤを植えることが、必ずしも保証された解決策ではないことを示唆しています。種を植えるタイミングと、特定の遺伝的構成は、土壌条件と同じくらい重要なのです。

これらの知見は、温暖化する世界における農業への厳しい教訓を提示しています。キヌアは塩分を含む土壌にとって有望な作物ではありますが、その成功は絶対的なものではありません。それは天候を無視できる魔法の杖ではありません。この研究は、開花期における高温が植物の生殖プロセスを妨げ、種子の脱落や、極めて小さく軽い種子の生成を引き起こすことを実証しています。この混乱は、熱が受粉（特定の温度範囲に依存するプロセス）を妨害することによって起こります。空気が暑すぎると、植物が日光と栄養素を穀物へと変える能力が損なわれ、土壌中の塩分がより破壊的な要因となります。研究者たちは、キヌアをこれらの過酷な環境における信頼できる食料源とするためには、開花期の熱に対して感受性が低い品種を選別すること、そして最も暑い時期を避けるように植え付け時期を調整する必要がある、と結論付けました。これらの調整なしには、気候変動に強い作物としてのキヌアの約束は、それが最も必要とされる地域において、果たされないまま終わってしまうかもしれません。