低環境負荷でトウモロコシ（Zea mays L.）の成長と鉄栄養を改善する鉄系ナノ粒子（ヘマタイトおよびマグネタイト）に関する洞察
低環境この論文は中国農業大学のFuso Zhangグループの研究である。鉄系ナノ粒子の研究はイタリアのメーカーがvivionite で古くから研究してきたもので、すでに鉄系肥料の葉面散布剤として販売されている。この論文ではその鉄系ナノ粒子の純品であるFe3O4、α-Fe2O3、FeSO4を用いて、土壌処理してその効果を見たものである。葉での遺伝子発現を見ているが、その意味は小生にはよく理解できない。本来ならば根での遺伝子発現が知りたいところである。根では当然、Strategy-Iの3価鉄の還元酵素fre1や二価鉄イオンのIRT1やムギネ酸分泌トランスポーターであるTOM1,ムギネ酸鉄吸収トランスポーターZmYSLが発現しているはずだからである。これらは根をポットから掘り上げて無菌処理することがむつかしかったので実施できなかったものと思われる。総じてこの研究では、ナノ粒子が有機物と結合して重金属吸収を防止するという環境面が主眼となっての効果を論じている。
負荷でトウモロコシ（Zea mays L.）の成長と鉄栄養を改善する鉄系ナノ粒子（ヘマタイトおよびマグネタイト）に関する洞察
Insights in to iron-based nanoparticles (hematite and magnetite) improving the maize growth (Zea mays L.) and iron nutrition with low environmental impacts
Nauman Yousaf a, Muhammad Fahad Sardar b, Muhammad Ishfaq c, Baogang Yu a, Yanting Zhong a, Faisal Zaman d, Fusuo Zhang a, Chunqin Zou a*
a State Key Laboratory of Nutrient Use and Management, College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, 100193 Beijing, China b Key Laboratory of Ecological Prewarning, Protection and Restoration of Bohai Sea, Ministry of Natural Resources, School of Life Sciences, Shandong University, Qingdao 266237, China c College of Life Sciences and Oceanography, Shenzhen University, Shenzhen 518061, China d College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing, 100193, China
（要旨）
鉄栄養、重金属の取り込み、土壌微生物群に対するFe-NPの応用の可能性を調査する必要がある。本研究では、FeNPs（α-Fe2O3 およびFe3O4）がトウモロコシの生長、鉄の取り込みと輸送、土壌微生物群集、および環境リスクに及ぼす影響を調べるために、ポット実験を行った。Fe3O4, α-Fe2O3, FeSO4 を 800 mg Fe kg- 1 の割合で、4反復完全無作為化計画で土壌に 60 日間施用した。その結果、トウモロコシの根による鉄の取り込みは対照区より 107-132% 増加し、処理区によって明らかな差が見られた（Fe3O4>α-Fe2O3>FeSO4>対照区）。同様に、草丈、葉面積、バイオマスはそれぞれ 40-64%、52-91%、38-109%増加したが、FeSO4 を施用した場合はより低い値であった。クロロフィル含量とカロテノイドのレベル上昇、および抗酸化酵素活性（つまり、カタラーゼとスーパーオキシドジスムターゼ）に対するコントロールとの有意な効果は、Fe-NPsの適用が全体的な生化学的プロセスを改善することを示唆した。また、重要な鉄トランスポーター（ZmYS1 および ZmFER1）の発現が対照区と比較して異なっていたことから、鉄の効率的な取り込みと分配のための植物の戦略的な反応が示唆された。重要な点として、Fe-NPs は複合体形成によって重金属（クロム、カドミウム、ヒ素、ニッケル、銅）の取り込みを減少させ、土壌微生物群に対する毒性を示さなかった。以上のことから、Fe-NP の利用は、土壌微生物群に悪影響を与えることなく、作物の生産性と鉄栄養を改善し、持続可能な農業生産を促進する有望なアプローチとなりうる。
（はじめに）
ナノテクノロジーの急速な進歩に伴い、ナノ粒子（NPs）は、その広大な表面積と特殊な物理化学的特徴から、環境修復、農業生産、食品産業、生物医学など数多くの分野で応用されている（Lu et al., 2014; Niescioruk et al.） 現在、作物の保護と生産性を向上させるためのNPの応用は、最も興味深い分野である。ナノベースの肥料は、持続可能な農業開発のための有望なアプローチとなり得る。植物細胞全体におけるNPsの取り込みと移動の証拠は、さまざまな研究によって報告されている（Li et al., 2016; Tombuloglu et al.） 鉄（Fe）は、植物の生理・生化学、すなわちDNA合成、呼吸、光合成、窒素固定において決定的に重要な機能を果たす価値ある微量栄養素である（Rout et al.） 鉄欠乏は光合成装置の機能と構造を破壊する可能性がある。(Briatら、2015）。土壌では、鉄が第一鉄イオンから第二鉄イオンに 素早く変換されるため、植物が鉄を利用できなくなり、無機鉄肥 料の施用が最も効果的でない理由となっている（Rengel et al.）さらに、FeSO4 は水に溶けやすく、溶出して環境汚染を引き起こす可能性がある。従来の鉄供給源の欠点に対処するために、Fe-NPsは鉄不足に対処し、農業の生産性を向上させるのに有益である（Morales Díaz et al.） Fe-NPsマグネタイト（Fe3O4）とヘマタイト（α-Fe2O3）は、磁気特性だけでなく、構造の安定性や生体適合性など、従来のFe源よりも多くの利点がある。Zhouらは、従来の肥料は溶出や揮発による経済的損失がFe-NPsよりも大きいが、Fe-NPsは微量栄養素の持続的かつ制御された送達を提供すると報告している（Zhouら、2024）。Yuらはさらに、従来のFe肥料は一般的に作物の生理機能を高めるために使用されているが、高コスト、短命、低効果、高毒性など、多くの欠点があることを示している。(Yuら、2024）。このことは、初期コストはかかるものの、長期的にはFe-NPの方が経済的に実行可能であることを示している。しかし、Fe-NPの取り込みメカニズムや移行性、潜在的な毒性については、大規模に応用する前に、まだ深く検討する必要がある。
土壌と植物の界面における鉄の動態については、よく説明されている。鉄ベースのNPsの吸収と移動は、NPsのサイズ、濃度、形状、植物種によって大きく異なる。透過型電子顕微鏡（TEM）と電子分散型分光法（EDXs）により、NPsがEichhornia crassipesの細胞内の根の原形質表皮、葉緑体、葉の細胞質に蓄積していることが明らかになった（Mittalら、2020；Raiら、2022）。カボチャ（Cucurbita maxima）には、根や葉にFe3O4 NPが濃縮・移動する傾向があることが報告されている（Zhuら、2008）。根圏における植物-微生物または微生物-微生物の相互作用は、土壌肥沃度と作物生産に不可欠である（Trivedi et al.） 根圏細菌の中には、根域での鉄の生物学的利用能 を向上させることにより、植物の生育に有益なシデロフォアを産生するものがある。シデロフォア、エリプラスム結合膜、外膜レセプタータンパク 質が結合して、高親和性鉄輸送系を形成する（Clark, 2004）。従って、本研究では、Fe-NPが土壌微生物生態系に与える影響について取り上げる。
重金属は環境汚染の主な原因であり、穀類作物の可食部に蓄積することで人体に大きな危険をもたらす（Ashraf et al.） 土壌中に最も多く含まれる重金属は、銅（Cu）、クロム（Cr）、カドミウム（Cd）、ニッケル（Ni）、ヒ素（As）、鉛などであり（Connolly et al. 例えば、カドミウムの濃度が高くなると、植物の生育が低下し、活性酸素の生成が促進されるため、最終的に酸化的なダメージが生じ、光合成や養分の取り込みが低下する（Huybrechts et al.、2020；Li et al.、2020）。近年、植物成長を改善するためにFe-NPが使用されているが、重金属の取り込みも抑制している（Adrees et al.） 例えば、カドミウム汚染土壌にFeO-NPを施用すると、最終的に小麦のカドミウム取り込み量が72.5%減少した（Manzoor et al.） 同様に、グリーン合成のFe-NPsは、水溶液からNiとCdを吸着することができ、Cloveとg-Coffeeを用いて調製した鉄ナノ粒子では、それぞれ最大Cd2+吸着容量が78mg/gと74mg/g、Ni2+吸着容量が64.8mg/gと80mg/gであった（Mohamed et al.） この顕著な吸着性能は、その爆砕還元能と広大な比表面積によるものかもしれない（Huang et al.）
過去数十年間で、気候変動と低鉄肥料の投入により、穀物中の鉄含有量は著しく減少した（Ishfaq et al.） 本研究は、Fe-NPs施用が、Fe栄養、トウモロコシの生長、酵素活性、遺伝子発現、重金属の取り込み、土壌微生物群集に及ぼす可能性のある影響について、深い洞察を得ることを目的とした。2種類のFe-NPs（Fe3O4、α-Fe2O3）と1種類の伝統的なFe肥料（FeSO4）を、温室条件下で800 mg kg- 1の割合で4反復して土壌に施用した。この結果は、土壌-植物システムにおけるFe-NPの成果をより効果的に評価するための科学的根拠を提供し、環境への影響を最小限に抑えた持続可能な作物生産の目標達成に向けて前進するものである。
実験設計 土壌に鉄粒子を施用する
根と葉の鉄含量
地上部の鉄輸送遺伝子発現