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

土壌の塩類化は、農業生産や生態環境に悪影響を及ぼす世界的な問題です。塩類化した土壌はpHが高く養分が不足しやすいため、作物の生育や土壌微生物の活動が妨げられます。論文によると、国連食糧農業機関（FAO）の統計では、世界の塩類・アルカリ土壌は約9億5400万ヘクタールあり、そのうち9913万ヘクタールが中国にあります。

研究チームは、単細胞の緑藻クラミドモナス（Chlamydomonas reinhardtii）が、アルカリ性の条件で細胞内の物質の構成（代謝）をどう変えるかを調べました。あわせて、この藻がソーダ質土壌（炭酸ナトリウムなどを多く含む強いアルカリ性の土壌）の性質を改善できるか、アルカリストレスを受けたイネの苗を守る作用があるかも検討しました。

また、アルカリ性の害が「pHが高いこと」そのものによるのか、炭酸水素イオン（HCO₃⁻）や炭酸イオン（CO₃²⁻）によるのかを区別して比べることも目的としました。研究チームの仮説は二つです。一つは、この藻が代謝を組み替えて高pHに対処するというものです。もう一つは、藻を与えると土壌の性質やイネ苗の傷みが改善されるというものです。

何を、どのように調べたか

使った藻は、中国・白城市のソーダ質アルカリ土壌から分離・精製された株です。種は、形態と遺伝子配列で確認しています。藻は標準的な培養液（TAP培地）で十分に増やしてから集め、異なるアルカリ条件の培養液に移して12日間育てました。

比べた条件は5つです。40 mMの炭酸水素ナトリウム（NaHCO₃）、20 mMの炭酸ナトリウム（Na₂CO₃）、pH 8.3、pH 10.3、そしてアルカリを加えない対照です。pH 8.3とpH 10.3の条件は、水酸化ナトリウムを使って、それぞれ炭酸水素ナトリウム区と炭酸ナトリウム区のpHにそろえています。こうすることで、同じpHでも炭酸系のイオンの有無で違いが出るかを比べられます。

藻については、次の項目を測りました。増え方は、培養液の濁り具合（680 nmでの吸光度）で0〜12日目まで追いました。実験終了時には、葉緑素（クロロフィルaとb）の量を測りました。さらに、液体クロマトグラフィー質量分析によって、細胞内の多数の小分子をまとめて測る「非標的メタボローム解析」を行いました。この解析では、対照と比べて量が変わった物質を統計的に選び、それらがどの代謝経路に関わるかを調べました。物質どうしの量の連動（相関）をつないだネットワークも作っています。

イネについては、生育のそろった14日齢の苗を6群に分け、36時間処理しました。6群は、対照、炭酸水素ナトリウム40 mM、炭酸ナトリウム20 mM、藻の培養液（体積で50%）、藻＋炭酸水素ナトリウム、藻＋炭酸ナトリウムです。処理後に生育の特徴を測りました。実験は3回繰り返し、1処理あたり20本の苗を用いています。研究チームは、藻を加えた塩類・アルカリ土壌の性質の変化も調べています。

主な報告結果

増殖の様子は、条件によって分かれました。pH 8.3とpH 10.3の条件では、対照と比べて藻の量が最も大きく増えました。特にpH 10.3では、吸光度が0.8を超えています。炭酸水素ナトリウムと炭酸ナトリウムの条件では、最初の6日間は対照より増殖が抑えられ、その後に増え始めました。炭酸水素ナトリウム区はその後はっきり増えましたが、炭酸ナトリウム区はわずかな増加にとどまり、全体として抑えられたままでした。

葉緑素の量は、増殖とは異なる条件間の違いを示しました。クロロフィルaは、対照と比べて炭酸水素ナトリウム区とpH 10.3区で有意に増え、増加はpH 10.3区で最大でした。よく増殖したpH 8.3区は、葉緑素では対照と有意な差がありませんでした。一方、炭酸ナトリウム区のクロロフィルaは対照の約3分の1でした。クロロフィルbも同様で、炭酸水素ナトリウム区とpH 10.3区で高く、炭酸ナトリウム区で低い結果でした。研究チームは、同じpH 8.3でも炭酸水素ナトリウム区だけで葉緑素が増えた点に注目し、炭酸水素イオンが藻の生育を支える要因になりうると述べています。

メタボローム解析では、少なくとも1つのアルカリ条件で有意に増えた物質が、計1159種見つかりました。そのうち76種は4条件すべてで共通して増えており、研究チームはこれらをアルカリへの適応の中心となる物質と考えています。代謝経路の情報が付けられた85種を調べると、次のような経路が多く含まれていました。デンプン・ショ糖代謝などの糖の代謝、グリセロリン脂質代謝、リシン分解やトリプトファン代謝などのアミノ酸代謝、核酸の合成、補酵素の合成です。

ガラクトース代謝に関わる6種の物質（スタキオース、ショ糖、ラフィノース、グルコース6-リン酸など）は、特に炭酸水素ナトリウム区とpH 10.3区で蓄積していました。研究チームは、藻が細胞内の浸透圧を調節してアルカリストレスに対応している可能性を示すものとしています。同じ2条件では、糖リン酸のエリトロース4-リン酸とセドヘプツロース7-リン酸も大きく増えました。高pHの条件では、グルタミン酸の蓄積も見られました。

物質どうしの相関ネットワークでは、糖類が中心に位置していました。ネットワーク上のつながりの数（次数）は、ショ糖が249、スタキオースが258、ラフィノースが239でした。ビタミンB6の活性型の一つであるピリドキサミンリン酸は261でした。植物ホルモンのアブシジン酸（ABA）は、ショ糖、スタキオース、トレハロースなどの糖類と直接相関しており、次数は214でした。

条件どうしを比べると、pHがほぼ同じ炭酸水素ナトリウム区とpH 8.3区でも、増える物質や中心となる経路が異なりました。炭酸ナトリウム区とpH 10.3区の間にも大きな違いがありました。

土壌については、藻の濃度を高くし、培養期間を長くするほど、次の値が有意に下がったと報告されています。塩類・アルカリ土壌のpH、電気伝導度（EC、塩分の多さの目安）、炭酸水素イオンと炭酸イオンの含有量です。イネ苗については、藻がアルカリストレス下のイネで重要な役割を果たしたと、研究チームは結論で述べています。

この報告が示すこと

研究チームは、この藻が強いアルカリ性の環境にも適応する力をもち、その代謝の仕組みは複雑で、ストレスの種類と深く関わっていると結論づけています。藻の反応はpHの高さだけでは決まらず、炭酸水素イオンか炭酸イオンかという違いやアルカリの強さに応じて代謝の調節が変わる、というのが研究チームの見方です。ABAと糖類の結びつきについては、浸透圧調節とエネルギー代謝を調整する鍵の仕組みと位置づけていますが、これは物質量の相関から導かれた見方です。

研究チームはまた、これらの代謝の変化が、藻が糖・有機酸・アミノ酸・ホルモンなどを分泌して土壌を改善する仕組みを理解する手がかりになるとしています。一方で、いくつかの限界も挙げています。具体的な分子の仕組みを明らかにするには、関わる酵素反応や遺伝子発現の解析が必要だとしています。また、土壌改良の効果は、これらの物質が実際に細胞の外へ効率よく分泌されるかどうかに大きく左右されます。土壌微生物、酵素活性、養分の循環、pHにどう作用するかも同様で、さらなる実験による確認が必要だと述べています。

このほか、実験はすべてアンモニウムを窒素源とする培地で行われており、窒素源が変わるとストレスへの反応も変わりうると指摘しています。非標的メタボローム解析は主に小分子の中間産物の変化を捉える方法です。そのため、遺伝子の転写などの段階で行われる調節は別に考える必要があるとも述べています。実際の塩類土壌の劣化には、塩分・乾燥・アルカリ性・重金属などが重なって関わります。研究チームは、複合的なストレスの下での反応や、さまざまな種類の土壌にどこまで当てはまるかを、今後確かめるべき点としています。

原著論文の著者・所属：Dan Wang（Jilin Provincial School-Enterprise Cooperation Innovative Laboratory of Food Nutrition and Health and Functional Food Innovation, Jilin Medical University, Jilin 132013, China; Microalgae Resource Development and Application Research Center, Jilin Medical University, Jilin 132013, China; School of Public Health, Jilin Medical University, Jilin 132013, China）、Yunqing Zhang（School of Public Health, Jilin Medical University, Jilin 132013, China）、Lan Zhang（Jilin Provincial School-Enterprise Cooperation Innovative Laboratory of Food Nutrition and Health and Functional Food Innovation, Jilin Medical University, Jilin 132013, China; Microalgae Resource Development and Application Research Center, Jilin Medical University, Jilin 132013, China; School of Public Health, Jilin Medical University, Jilin 132013, China）、Yanli Xi（School of Public Health, Jilin Medical University, Jilin 132013, China）、Chen Zhao（Jilin Provincial School-Enterprise Cooperation Innovative Laboratory of Food Nutrition and Health and Functional Food Innovation, Jilin Medical University, Jilin 132013, China; Microalgae Resource Development and Application Research Center, Jilin Medical University, Jilin 132013, China; School of Public Health, Jilin Medical University, Jilin 132013, China）、Xiaoyu Feng（School of Public Health, Jilin Medical University, Jilin 132013, China）、Min Liu（School of Public Health, Jilin Medical University, Jilin 132013, China）、Yifan Zhang（School of Public Health, Jilin Medical University, Jilin 132013, China）、Jiajun Sun（School of Public Health, Jilin Medical University, Jilin 132013, 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）：Dan Wang, Yunqing Zhang, Lan Zhang, et al. Metabolic Profile of Chlamydomonas reinhardtii in Alkaline Environment and Role in Sodic Soil Improvement and Rice Seedlings in Response to Alkaline Stress. Plants（出版社：Multidisciplinary Digital Publishing Institute） 2026-09-20. DOI: 10.3390/plants15182879. 原著ライセンス：CC BY.