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-植物鉄栄養研究会-


NPO法人
19生都営法特第463号
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ナノセルロース-鉄によるナシ鉄欠乏性クロロシスの修復 とそのメカニズム

Date: 2022-05-24 (Tue)

ナノセルロース-鉄によるナシ鉄欠乏性クロロシスの修復
とそのメカニズム

Xianping Guo, Yiwei Bian and Qizhen Qiu, Dongsheng Wang, Zhongying Wu, and Zhenzhen Lv, Beijing Zhang, Qingnan Wu, Hezhong Wang

hortscience 57(4):541-547. 2022.
https://doi.org/10.21273/HORTSCI16404-21


(要旨)
ナノ結晶セルロースは,その吸着性により鉄をキレートする強い能力を持っている。
鉄欠乏性クロロシス(IDC)は,梨の光合成を著しく低下させ,植物の収量や品質を低下させるミネラル障害である。
従来のIDC防除法は、一般的に効率が悪く、薬剤を過剰に使用していた。
ナノセルロース(NC)-鉄キレート(NCFe)の葉面散布は、ナシ(Pyrus betulifolia)のIDCを改善するための新しいアプローチとなる。
本研究では、64 wt% H2SO4を用いた45 °C、45分間の酸性加水分解により、NCを調製した。
NCFeは、NCと硫酸第一鉄(FeSO4)溶液の正味電荷密度に基づいて調合された。
ナノ粒子の特性は、透過型電子顕微鏡(TEM)、動的光散乱、および導電率測定によって評価された。
Pyrus betulifoliaの苗を改良型ホーグランド栄養液で前挿し木し、重炭酸塩で処理した。
NCFe処理葉のクロロフィル量、活性鉄量、光合成速度の変化をそれぞれSPAD値、分光光度計、光合成装置によって測定した。
葉の組織からフェリチン遺伝子(PbFER)およびペクチンメチルエステラーゼ遺伝子(PbPME)を抽出し、定量的リアルタイムポリメラーゼ連鎖反応(qRT-PCR)により遺伝子発現プロファイルを解析した。
その結果、NCFe粒子はウィスカー状の形態を維持しており、動的光散乱法で測定したNCFeのZ平均流体力学的直径とゼータ電位はそれぞれ107.4 ± 3.0 nmと29.7 ± 0.4 mVであった。
NCFe を 1:3000 の混合比で調製した場合、植物葉の総クロロフィル量、活性鉄量、および純光合成速度は、FeSO4 溶射と比較して 72 時間処理後にそれぞれ 23.8%, 65.9%, 40.4% と有意に増強された。
重要なことは、NCFe 処理により、活性鉄含有量を調節する重要な遺伝子である PbPME の発現が有意に低下し、PbFER の発現が上昇したことである。


(結論)
セルロースは、再生可能なバイオマテリアルである。
その特殊な物理化学的特性により、様々な分野で幅広い応用が可能である。
酸による加水分解で生成したナノ結晶セルロースウィスカーは、酸から導入された負電荷を持っている。
したがって、アニオン性ナノ結晶セルロースは、その吸着性により、鉄イオンをキレートする能力が期待される。
本研究では、NC:Fe キレートを電荷密度比 1:3000 で処理することが、梨 IDC の修復に最適な処方であることを実証し た。この処理により、PbPMEの発現が著しく低下し、PbFERの発現が上昇し、活性鉄含量が増加した。
したがって、NCFeはクロロフィル含量を強く促進し、光合成速度を増加させた。
本研究は、植物 IDC 管理における鉄キレート剤応用の参考および補完的な戦略となる。
  
  
図1. ナノセルロース(NC)およびNC-Feキレート(NCFe)粒子の透過型電子顕微鏡写真。
(A) 0.03% (w/v) NC または (B) 0.03% (w/v) NCFe の溶液は、ストック懸濁液を脱イオン水で希釈して調製された。

図4. 異なる処理下でのナシ実生葉の表現型。CK: 脱イオン水; T1: 2 mmol/L FeSO4; T2-T4: ナノセルロース:Fe の荷電比が 1:300, 1:3000 で得られたキレート, T5: 2 mmol/L Fe-ethylenediaminetetraacetic acid。
キレート中の鉄の最終濃度は 2 mmol/L FeSO4 であった。スケールバー = 1 cm。

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図4

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図1