著者の所属・活動拠点の国は、エジプトです。

掲載誌：BMC Plant Biology

ライセンス: CC BY　対象: 公開論文　確認元: OpenAlex

研究の目的

キヌアは栄養価の高い擬似穀類で、国連食糧農業機関（FAO）が有望な作物の一つに位置づけています。研究チームは、塩分の多い圃場で育つキヌアについて、生育と収量、ストレスへの耐性を高める手段として新しい肥料素材の可能性を調べました。

使った素材は「金属有機構造体（MOF）」です。MOFは、金属イオンと有機分子が規則正しく結びついた、すき間の多い結晶です。研究チームは、亜鉛とカルシウムの両方を含むMOFを、天然高分子のキトサンで包みました。この素材が二つの役割を果たすかを評価することが、研究全体の目的です。一つは養分を供給する「スマート肥料」としての役割、もう一つは植物の生理反応を後押しする資材（バイオスティミュラント）としての役割です。

研究チームは四つの課題を立てました。第一に、亜鉛だけ、またはカルシウムだけを含むMOFと、両方を含むMOFを合成し、キトサンで修飾すること。第二に、生育と収量への反応を評価すること。第三に、酸化ストレスの指標と抗酸化酵素の働きを測ること。第四に、葉の気孔と茎の維管束組織の形を電子顕微鏡で観察することです。

何を、どのように調べたか

MOFの原料は、2-アミノテレフタル酸という有機分子と、塩化亜鉛または塩化カルシウムです。作ったのは、カルシウム型、亜鉛型、両金属を1対1のモル比で混ぜた型の3種類です。さらに、MOFの粉末をごく薄いキトサン溶液に分散させ、表面をキトサンで覆った複合体も作りました。

できた素材は三つの方法で確かめました。走査型電子顕微鏡（SEM）で、形と大きさを観察しました。エネルギー分散型X線分析（EDX）で、表面の元素組成を調べました。赤外分光法（FTIR）で、分子の結合状態を調べました。

圃場試験は、2024〜2025年と2025〜2026年の2作期に、塩分を含む条件で行いました。対象はキヌアの2系統（3YEと1RE）です。処理は全部で8通りです。内訳は、キトサン単独、キトサンなしのMOF3種、キトサンで包んだMOF3種の計7種の葉面散布と、何も散布しない塩ストレス対照区です。統計解析には、系統を主区、処理を副区とする分割区法を用いました。2作期の間で季節の影響に有意差がなかったため、両作期のデータをまとめて解析しています。

生育面では、草丈、子実と茎葉の収量、光合成色素を測りました。酸化ストレスの面では、次の三つを測りました。細胞膜の傷みの指標となるマロンジアルデヒド（MDA）、過酸化水素の量、DPPH法によるラジカル消去能です。抗酸化酵素では、スーパーオキシドジスムターゼ（SOD）とペルオキシダーゼ（POD）を調べました。種子では、アミノ酸と脂肪酸の組成を分析しました。葉と茎の組織は、処理ごとに3株を選んでSEMで観察しました。この観察は形の記述にとどまり、気孔の開き具合などを数値で計測してはいません。

主な報告結果

収穫時の草丈は、塩ストレス対照区より伸びました。最も伸びたのは、キトサンで包んだ亜鉛・カルシウム両金属型で、19.45%の増加でした。増加率は次のとおりです。キトサンで包んだ亜鉛型が17.01%、キトサンで包んだカルシウム型が12.16%、キトサン単独が8.60%、キトサンなしの両金属型が6.62%です。一方、キトサンなしのカルシウム型と亜鉛型の散布の間では、草丈の増加に有意な差がありませんでした。子実と茎葉の収量も改善したと報告されています。

葉の過酸化水素量は、対照区に比べてすべての散布処理で減りました。減少率が大きかったのは、キトサンで包んだ処理です。両金属型で57.03%、亜鉛型で31.82%、カルシウム型で29.11%の減少でした。そのほかの処理の減少率は次のとおりです。キトサンなしの両金属型が22.96%、キトサンなしの亜鉛型が21.66%、キトサン単独が20.10%、キトサンなしのカルシウム型が9.33%です。ラジカル消去能は、キトサンで包んだ両金属型が最も高い値を示しました。また結論では、MDAが大きく減ったことと、SODとPODの活性が高まったことが挙げられています。

系統を比べると、3YEは草丈の伸びやラジカル消去能などで1REを上回りました。また、どちらの系統でも、キトサンで包んだ両金属型が最も良い結果を示しました。

種子の成分では、総アミノ酸量が増えました。ただし、個々のアミノ酸の割合の変化は小さく、必須アミノ酸の割合はわずかに下がりました。脂肪酸では、オレイン酸、リノール酸、リノレン酸などの不飽和脂肪酸が増えました。多価不飽和脂肪酸の増加率は3.78〜7.13%です。著者らは、この変化は油の栄養上の分類を変えるほどではないと述べています。

電子顕微鏡で観察すると、塩ストレス下の葉では気孔が閉じていました。処理した葉では、開いた形の気孔が多く見られました。茎では、対照区に細胞のつぶれや維管束のゆがみが見られました。一方、処理した株では、維管束の組織が整った状態に保たれていました。

素材の分析では、亜鉛型MOFは0.5〜5マイクロメートルほどの八面体の結晶になりました。カルシウムを加えると、結晶は棒状に変わりました。キトサン複合体では、MOFの結晶がキトサンの網目に埋め込まれた様子が観察されました。EDXでは、炭素、酸素、窒素、カルシウム、亜鉛がすべて検出されました。FTIRでは、MOFの形成を裏づける結合の変化が確認されています。

この報告が示すこと

研究チームの結論は、亜鉛とカルシウムを組み合わせたMOFをキトサンで包んだ素材が、塩分の多い圃場のキヌアで肥料とバイオスティミュラントの両方の役割を果たした、というものです。また、両金属型は亜鉛だけの型より生理面・収量面で優れていたとしています。そのうえで、この素材を葉面散布用の資材として有望だと位置づけています。

一方、著者らは限界も挙げています。電子顕微鏡の観察は定性的なものにとどまります。効果の仕組みについては、塩ストレス応答の信号経路、イオンの分配、素材の溶け出し方、遺伝子発現の変化が候補として考えられていますが、まだ直接確かめられていません。また、種子のアミノ酸や脂肪酸の変化は小さく、慎重に解釈すべきだとも述べています。

原著論文の著者・所属：Noura E. Mahmoud（Biochemistry Unit, Genetic Resources Department, Desert Research Center, Cairo, Egypt）、Reda M. Abdelhameed（Applied Organic Chemistry Department, Chemical Industries Research Institute, National Research Centre, Scopus affiliation ID 60014618, 33 EL Buhouth St., Dokki, Giza, 12622, Egypt. [email protected]）

※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）：Noura E. Mahmoud, Reda M. Abdelhameed. Synthesis of chitosan-encapsulated mono- and di-metallic (Zn/Ca) MOFs to modulate seed quality and antioxidant defense in Chenopodium quinoa under salinity stress. BMC Plant Biology（出版社：BioMed Central） 2026-08-21. DOI: 10.1186/s12870-026-09734-w. 原著ライセンス：CC BY.