著者の所属・活動拠点の国は、中国です。

掲載誌：Plants

ライセンス: CC BY　対象: 公開論文　確認元: OpenAlex

研究の目的

干ばつは世界的に作物生産を制限する深刻なストレスの一つで、論文の序論では、報告されている減収が小麦でおよそ21％、トウモロコシで40％に達するとされています。研究の舞台は中国北部の半乾燥地域、大興安嶺山脈の西麓です。降水が少なく、時期にも偏りがあります。研究を行った2022年の年間降水量は259.4ミリでした。春の強い蒸発と風も土壌の水不足を強めます。この地域の主要穀物である春小麦は、生育初期と雨の降る時期がうまく重ならないことが問題になっています。

干ばつにさらされた植物の体内では、活性酸素と呼ばれる反応性の高い分子が増え、細胞を傷つけます。植物はこれに対して、活性酸素を分解する酵素や、抗酸化物質、浸透圧を調整する物質を増やして身を守ります。研究チームは、同じ畑で別の作物を順番に育てる「輪作」を長く続けると、干ばつ時の活性酸素の蓄積や細胞膜の傷みが抑えられ、防御反応を強く働かせる必要が小さくなり、その結果として収量が安定する、という仮説を立てました。また、こうした効果が葉と根で異なるかどうかも調べました。最終的には、この地域に適した輪作の組み合わせを選ぶための根拠を得ることを目指しています。

何を、どのように調べたか

試験は内モンゴルの農業試験場の圃場で行われました。2016年から、春小麦・ナタネ・ジャガイモを使った4通りの栽培体系を続けています。小麦とジャガイモの輪作（R1）、小麦・ジャガイモ・ナタネの輪作（R2）、小麦とナタネの輪作（R3）、そして小麦だけを毎年続けて作る連作（C1）です。2021年までは、いずれも雨水だけで栽培しました。品種には、干ばつや寒さに強いとされる春小麦「龍麦36号」を使いました。

2022年には、それぞれの栽培体系に通常の水条件と干ばつ条件を設けました。合わせて8通りの処理を、それぞれ3区画ずつ用意しています。干ばつ区では、土壌の水分含量をあらかじめ決めた9〜12％の範囲まで下げました。そのうえで、開花期の7月28日から全処理を同時に採取しました。

調べた項目は大きく三つです。一つ目は生育で、草丈、植物体の生重量と乾燥重量、地表から深さ20センチまでの根の長さと表面積を測りました。二つ目は収量で、実際に収穫した量と、穂数・1穂あたりの粒数・千粒重から計算した理論収量を求めました。三つ目は体内の状態です。止葉（穂のすぐ下にある最上位の葉）と根について、次の指標を測定しました。活性酸素に関連する量、細胞膜の傷みの目印となるマロンジアルデヒド（MDA）、活性酸素を分解する酵素であるSODとPODの活性、抗酸化物質の還元型グルタチオン（GSH）、浸透圧調整物質のプロリンです。なお、活性酸素については、特定の活性酸素の瞬間的な濃度を直接測ったものではなく、関連する水準として解釈すべきだと著者らは断っています。

さらに研究チームは、干ばつによる変化率が連作に比べてどれだけ小さく済んだかを百分率で表し、これを「干ばつ緩和効果値」として指標ごとに算出しました。生理指標や根と、収量との関係は、相関分析で調べています。

主な報告結果

収量では、輪作の3体系がどの水条件でも連作を有意に上回りました。3体系の間には有意な差はありませんでした。干ばつ条件での実収量は、連作と比べてR1で73.26％、R2で77.67％、R3で75.38％多くなりました。ただし著者らは、この大きな差には長期連作による収量の落ち込みも含まれており、一般的な輪作の効果としてそのまま当てはめるべきではないと述べています。干ばつによる実収量の減少率は、連作が24.13％だったのに対し、R1では12.95％にとどまりました。輪作では1穂あたりの粒数と千粒重が多く、これが収量の差に大きく寄与していました。

生育でも、干ばつは草丈や重量、根の長さを減らしましたが、輪作ではその落ち込みが小さく抑えられました。干ばつ条件での乾燥重量は、輪作が連作を25.42〜31.61％上回りました。根の長さも、連作より18.97〜21.47％長くなりました。根の表面積は、水条件によって逆の傾向を示しました。通常の水条件では連作の方が大きかったのに対し、干ばつ条件では輪作の方が13.76〜16.04％大きくなりました。

体内の状態を見ると、干ばつは葉と根の両方で活性酸素関連量とMDAを増やしましたが、輪作ではどちらも連作より低い値でした。たとえば干ばつ条件の止葉の活性酸素関連量は、輪作で連作より49〜53％低くなりました。SODとPODの酵素活性、GSH、プロリンも、干ばつで増えたものの、輪作ではその値と増え幅がともに連作より小さくなりました。もっとも差が目立ったのは止葉のプロリンです。干ばつによる増加が連作で63.47％だったのに対し、R1では17.53％にとどまり、干ばつ緩和効果値は全指標で最大の72.38％でした。輪作の種類による違いも見られました。R1は葉の活性酸素やMDAの抑制で、R2は根の浸透圧調整に関する指標で、それぞれ優位でした。

干ばつと輪作の組み合わせによる影響（交互作用）は、止葉の多くの指標で有意でした。一方、根の活性酸素関連量、SOD、PODでは有意ではなく、輪作の効き方が器官によって異なることがうかがえました。相関分析では、葉と根の生理指標の多くが収量と負の関係を示しました。中でも実収量と止葉の活性酸素関連量との相関係数はマイナス0.90でした。根の長さは理論収量と正の関係を示し、相関係数は0.52でした。

この報告が示すこと

研究チームは、長期の輪作が干ばつによる春小麦の生育・生理・収量への悪影響を和らげたと結論づけています。輪作の下では細胞の酸化的な傷みが少なく、干ばつに応じて抗酸化酵素や浸透圧調整物質を大きく動員する必要も小さかったと解釈しています。言い換えれば、輪作の小麦は干ばつに強く反応して防御していたのではなく、そもそも受けるストレスが軽かったと見られます。中でも小麦とジャガイモ、および小麦・ジャガイモ・ナタネの輪作が、総合的に干ばつへの強さを高める可能性が大きいとしています。

一方で、著者らは解釈の注意点を挙げています。生理指標と収量の相関には、水条件と輪作履歴の両方による違いが混ざっており、因果関係ではなく関連として読むべきだとしています。輪作が根の周りの土壌環境や微生物を改善して干ばつを和らげるという仕組みについても、土壌の性質や微生物、水利用効率を直接測っていないため、推論にとどまります。このほかの限界として、次の点が挙げられています。測定は主に2022年の1年、開花期の1時点に限られています。1品種・1地点の試験です。輪作の周期の長さが異なるため、試験までに小麦を作った回数が体系ごとに違います。収量差に含まれる輪作の効果と連作の弊害を、現在の設計では切り分けられません。

原著論文の著者・所属：Shuli Wei（Key Laboratory of Black Soil Protection and Utilization, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, State Key Laboratory of Agricultural Ecology in the Agro-pastoral Ecotone (Cultivation), Northern Farming-Pastoral Ecotone, Farmland Ecosystem Conservation, Observation and Research Station of Inner Mongolia, Inner Mongolia Academy of Agricultural and Animal Husbandry Sciences, Hohhot 010031, China）、Jing Fang（College of Agronomy, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, China）、Yunlong Hou（Key Laboratory of Black Soil Protection and Utilization, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, State Key Laboratory of Agricultural Ecology in the Agro-pastoral Ecotone (Cultivation), Northern Farming-Pastoral Ecotone, Farmland Ecosystem Conservation, Observation and Research Station of Inner Mongolia, Inner Mongolia Academy of Agricultural and Animal Husbandry Sciences, Hohhot 010031, China）、Shaofeng Su（Key Laboratory of Black Soil Protection and Utilization, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, State Key Laboratory of Agricultural Ecology in the Agro-pastoral Ecotone (Cultivation), Northern Farming-Pastoral Ecotone, Farmland Ecosystem Conservation, Observation and Research Station of Inner Mongolia, Inner Mongolia Academy of Agricultural and Animal Husbandry Sciences, Hohhot 010031, China）、Kun Zhao（Key Laboratory of Black Soil Protection and Utilization, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, State Key Laboratory of Agricultural Ecology in the Agro-pastoral Ecotone (Cultivation), Northern Farming-Pastoral Ecotone, Farmland Ecosystem Conservation, Observation and Research Station of Inner Mongolia, Inner Mongolia Academy of Agricultural and Animal Husbandry Sciences, Hohhot 010031, China）、Gongfu Shi（Key Laboratory of Black Soil Protection and Utilization, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, State Key Laboratory of Agricultural Ecology in the Agro-pastoral Ecotone (Cultivation), Northern Farming-Pastoral Ecotone, Farmland Ecosystem Conservation, Observation and Research Station of Inner Mongolia, Inner Mongolia Academy of Agricultural and Animal Husbandry Sciences, Hohhot 010031, China）、Rui Xie（Key Laboratory of Black Soil Protection and Utilization, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, State Key Laboratory of Agricultural Ecology in the Agro-pastoral Ecotone (Cultivation), Northern Farming-Pastoral Ecotone, Farmland Ecosystem Conservation, Observation and Research Station of Inner Mongolia, Inner Mongolia Academy of Agricultural and Animal Husbandry Sciences, Hohhot 010031, China）、Liyu Chen（Key Laboratory of Black Soil Protection and Utilization, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, State Key Laboratory of Agricultural Ecology in the Agro-pastoral Ecotone (Cultivation), Northern Farming-Pastoral Ecotone, Farmland Ecosystem Conservation, Observation and Research Station of Inner Mongolia, Inner Mongolia Academy of Agricultural and Animal Husbandry Sciences, Hohhot 010031, China）、Huimin Shi（Key Laboratory of Black Soil Protection and Utilization, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, State Key Laboratory of Agricultural Ecology in the Agro-pastoral Ecotone (Cultivation), Northern Farming-Pastoral Ecotone, Farmland Ecosystem Conservation, Observation and Research Station of Inner Mongolia, Inner Mongolia Academy of Agricultural and Animal Husbandry Sciences, Hohhot 010031, China）、Xiaoyu Zhao（College of Agronomy, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, China; College of Life Sciences, Inner Mongolia University, Hohhot 010030, China; Key Laboratory of Black Soil Protection and Utilization, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, State Key Laboratory of Agricultural Ecology in the Agro-pastoral Ecotone (Cultivation), Northern Farming-Pastoral Ecotone, Farmland Ecosystem Conservation, Observation and Research Station of Inner Mongolia, Inner Mongolia Academy of Agricultural and Animal Husbandry Sciences, Hohhot 010031, China）、Zhanyuan Lu（College of Life Sciences, Inner Mongolia University, Hohhot 010030, China; Key Laboratory of Black Soil Protection and Utilization, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, State Key Laboratory of Agricultural Ecology in the Agro-pastoral Ecotone (Cultivation), Northern Farming-Pastoral Ecotone, Farmland Ecosystem Conservation, Observation and Research Station of Inner Mongolia, Inner Mongolia Academy of Agricultural and Animal Husbandry Sciences, Hohhot 010031, China）、Xiaoqing Zhao（College of Agronomy, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, China; College of Life Sciences, Inner Mongolia University, Hohhot 010030, China; Key Laboratory of Black Soil Protection and Utilization, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, State Key Laboratory of Agricultural Ecology in the Agro-pastoral Ecotone (Cultivation), Northern Farming-Pastoral Ecotone, Farmland Ecosystem Conservation, Observation and Research Station of Inner Mongolia, Inner Mongolia Academy of Agricultural and Animal Husbandry Sciences, Hohhot 010031, China）

※本記事は原著論文をもとに、日本語で要約・説明を加えた研究紹介です。 出典（原著論文）：Shuli Wei, Jing Fang, Yunlong Hou, et al. Long-Term Crop Rotation Improves Drought Resilience and Modulates Antioxidant Responses in Spring Wheat Leaves and Roots. Plants（出版社：Multidisciplinary Digital Publishing Institute） 2026-08-21. DOI: 10.3390/plants15162535. 原著ライセンス：CC BY.