ジベレリン誘導酸化鉄ナノ粒子がスイートチェリー（Prunus avium L.）の休眠解除に及ぼす影響の解明

以下の論文はサウジアラビアと中国の研究者の共著である。両国が緊密な科学技術関係にあることが示唆される。

ジベレリン誘導酸化鉄ナノ粒子がスイートチェリー（Prunus avium L.）の休眠解除に及ぼす影響の解明

Unveiling the effect of gibberellin-induced iron oxide nanoparticles on bud dormancy release in sweet cherry (Prunus avium L.)

Irfan Ali Sabir, Muhammad Aamir Manzoor, Iftikhar Hussain Shah, Zishan Ahmad、Xunju Liu, Pravej Alam, Yuxuan Wang, Wanxia Sun, Jiyuan Wang, Ruie Liu、Songtao jiu, Caixi Zhang

Department of Plant Science, School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, China
Bambo Research Institute, Nanjing Forestry University, Nanjing, 210037, China Department of Biology, College of Science and Humanities in Al-Kharj, Prince Sattam Bin Abdulaziz University, 11942, Saudi Arabia

Plant Physiology and Biochemistry 206 (2024) 108222


要旨
シアン化水素は、果樹の休眠打破のために世界中で広く使用されており、その結果、特に環境が制御された地域や温暖な地域では、迅速な栽培による果実生産が向上している。シアン化水素は作業者や環境に有害であることから、それに代わる新規かつ安全な果樹の休眠打破のためのナノテクノロジーの開発が急務となっている。本研究では、酸化鉄ナノ粒子、特にα-Fe2O3がスイートチェリー（Prunus avium）の芽休眠を調節する可能性を系統的に探索した。合成した酸化鉄ナノ粒子は、フーリエ変換赤外分光法（FTIR）、X線回折法（XRD）、X線光電子分光法（XPS）、透過型電子顕微鏡法（TEM）、紫外可視赤外分光法（UV-Vis）など、さまざまな手法を用いて綿密に特性評価された。驚くべきことに、ジベレリン（GA4+7）と一緒に10 mg /Lの濃度で散布した場合、これらの酸化鉄ナノ粒子は、ジベレリン（GA4+7）と一緒に10 mg/ L。ジベレリン（GA4+7）と併用した場合、これらの酸化鉄ナノ粒子は、対照群と比較して芽の休眠解除が57%も促進された。
これは、4日間という極めて短い期間で達成された。RNA-seq解析の結果、10 mg/ L α-Fe2O3ナノ粒子とGAを組み合わせて処理した場合、スイートチェリーの蕾内の2757遺伝子が有意にアップレギュレートされ、一方、休眠制御に関連する4748遺伝子はコントロールと比較してダウンレギュレートされたことが明らかになった。さらに、重要な差次発現遺伝子（DEGs）の中に58の転写因子ファミリーの配列を発見した。ホルモンの定量化により、酸化鉄処理群ではアブシジン酸（ABA）濃度が761.3 ng/g新鮮重と対照群に比べ低下し、ジベレリン（GA）濃度が対照群に比べ高かった。包括的なトランスクリプトームおよびメタボローム解析により、α-Fe2O3ナノ粒子とGAを併用した場合、芽の休眠打破過程におけるホルモン含量および遺伝子発現の有意な変化が明らかになった。結論として、我々の研究結果は、酸化鉄ナノ粒子がスイートチェリーの均一な芽休眠打破に与える影響の根底にある複雑な分子メカニズムについて、貴重な洞察を与えるものである。


結論
グリーン・ナノテクノロジーは、その巨大な特徴と特性により、研究室から大規模な分野へと移行してきた。今回の研究では、円形のα-Fe2O3ナノ粒子の合成を通じて、グリーン・ナノテクノロジーのスケーラブルな応用を実証することに成功した。これらのナノ粒子は、XRD、TEM、XPS、FTIRを含む様々なスペクトルおよび分析技術を用いて特性評価された。ナノ粒子は広範な用途に利用できる大きな可能性を秘めているが、その無秩序な使用や環境中への排出に伴う健康リスクを認識することは極めて重要である。環境に優しく安全なナノ粒子の利用を確実にするためには、これらの懸念を考慮しなければならない。本研究で得られた知見と広範な議論に基づき、我々は、α-Fe2O3ナノ粒子をジベレリン酸（GA）と併用した場合、スイートチェリーの木の芽の休眠を極めて短時間で効果的に打破する能力があると結論づけることができる。これらの安定な薬剤は、GA、IAA、活性酸素種（ROS）などの成長調節因子のレベルを増加させる顕著な能力を示し、これらは総体的にアブシジン酸（ABA）レベルの低下に寄与し、最終的に芽吹きにつながる。さらに、トランスクリプトーム解析により、α-Fe2O3ナノ粒子をGAと併用すると、スイートチェリーの芽吹きに関与する主要遺伝子をアップレギュレートする可能性があることが明らかになった。我々の新しい研究は、α-Fe2O3ナノ粒子が迅速な芽吹きを促進するという魅力的な利点を提供することが実証された最初の例であり、それによって、安価で無毒性かつ生態学的に健全なアプローチを通じて、スイートチェリーの生産を向上させることができる。将来的には、生態系へのα-Fe2O3ナノ粒子の放出に伴う長期的な環境影響と潜在的な健康リスクの調査、合成プロセスの最適化、分子メカニズムの探求、商業利用のための生産規模の拡大、他の作物種への応用の拡大に焦点を当て、農業と環境におけるグリーン・ナノテクノロジーの継続的で安全かつ持続可能な利用を確保することが必要である。


以下図の説明
図3.
α-Fe2O3ナノ粒子のTEM像、b拡大写真、c HRTEM像。

図4.
b 酸化鉄ナノ粒子を処理した芽と対照の芽の破芽率を、生育チャンバー内で4日ごとに評価した。