植物の体内時計を理解することで将来の農業が促進される可能性がある

私たちは皆、普段とは少し違うリズムで概日リズムが刻まれていることに不快感を覚えたことがあるでしょう。特に夜更かしした後や、飛行機に乗って別の時間帯に着陸した後などです。睡眠、食事、排尿のスケジュールを正常に戻すには、ある程度時間がかかることは誰もが知っています。

しかし、体内時計を持つ生物は人間だけではありません。植物にも体内時計があります。英国とベルギーの研究者による新しい研究によると、植物のリズムを理解することで、長期的には私たちの食料システムをより持続可能で生産的なものにできる可能性があるとのことです。気候が変化し、人口が増加し、より回復力があり持続可能な食料が必要になる中、持続可能で飢餓のない世界を実現するためには、農業の仕組みを再考することが絶対に不可欠です。

著者らは、今こそ、植物の概日リズムについてすでにわかっていることを、世界中の農場で収穫量を増やし持続可能性を促進するシンプルで手頃な簡単な方法に変えられるような研究を強化するときだと主張している。

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研究により、植物の細胞時計は植物の遺伝子の約 30 パーセントの発現を制御できることがわかっています。つまり、植物の内部スケジュールについて知れば知るほど、それを利用して食糧の収穫量を増やしたり、農薬の使用を減らしたり、変化する気候に対して作物をより耐性のあるものにする方法を見つけ出したりできる可能性が高くなります。

植物の概日時計の仕組み

人間の概日リズムに関しては、その調整のほとんどは脳内の何千もの細胞で行われると、主執筆者でケンブリッジ大学の植物生物学者アレックス・ウェッブ氏は言う。しかし、もちろん植物にはいわゆる脳がないので、植物の細胞一つ一つが個別の時計を持っており、二酸化炭素を取り込むためにいつ気孔を開くか、いつ光合成装置を始動させるか、そして日が沈んだ後にいつ活動を停止するかを制御している。

1700 年代にまで遡って、科学者たちは植物が毎日一日中光源にさらされているときでも 24 時間周期で葉を動かすことに着目していました。「これは、あらゆる生物において、それが自走時計であることを示す最初の実証でした」とウェッブは言います。今日では、研究者は遅延蛍光イメージングなどの方法を使用して概日リズムの周期の長さを計測し、小麦などの作物を含む、考えられるほぼすべての植物の体内時計について学ぶことができます。

過去数十年にわたり、植物の概日リズムが、その大きさ、光合成、糖の生成と利用などにどのような影響を与えるかを調べる研究がますます増えています。これらすべて、そして寒さや害虫への対処は、主要な植物に共通する一握りの遺伝子に集約されます。

植物の概日リズムに何が起こっているのかを完全に理解する前から、私たちはすでにいくつかのケースでそれを偶然に再設計していました。たとえばトマトの場合、北米の農家は偶然、南米原産のトマトよりもわずかに遅い概日リズムになるように作物を育てた可能性があります。農業が純粋な試行錯誤だけでそこまで理解できたのであれば、科学の進歩を考えると、今日では体内時計を活用できる可能性がはるかに高くなります。

「この分野の過去25年間は基礎生物学が中心でしたが、現在は主要作物の生物学を理解しつつある段階にあります」とウェッブ氏は言う。

持続可能性が動き出す場所

人間は睡眠スケジュールがどうあるべきかを大体理解していますが、植物についてはそう簡単には考えられません。デスクの上のサンセベリアであれ、小麦畑の広がる農場であれ、私たちがそれらの植物に水をやるときは、植物が本当に必要としているものや望んでいるものよりも、私たちにとって何が効果的かということが重視されることが多いのです。

「植物内でどのようなプロセスが制御されているかを知ることは、農家が作物に特定の農薬をいつ散布するかに大きな影響を与えるだろう」と、イギリスのアーラム研究所で概日生物学を研究するハンナ・リース氏は言う。

2019年に発表されたある研究で、ジョン・イネス・センターの植物生物学者アンソニー・ドッド氏と共著者らは、概日リズムに合わせて除草剤を散布すると、シロイヌナズナは午前中に除草剤に対してより敏感になることを発見した。つまり、その時間帯に少量の除草剤で大きな効果が得られる可能性があるということだ。

「時計が植物の反応にどう影響するかを理解すれば、植物に散布する化学物質の量を減らすことができ、農家のお金と時間を節約できるのではないかと考えました」とドッド氏は言う。「環境に放出される化学物質の量も減るでしょう。」

よく考えてみると、これは非常に理にかなっています。植物が夜明けの空腹の害虫から身を守るためにすでに活動を開始している午前中に除草剤を散布することは、同じ害虫がそれほど大きな問題ではない夜間に除草剤を散布するよりもはるかに効率的です。

理論的には、研究者は、水や肥料など、あらゆる作物とそのニーズについてこの種の研究を行い、それぞれをどれだけの量施用すべきかを正確に把握できるとウェッブ氏は付け加える。そして、淡水の 70 パーセントが農業に使用され、肥料や農薬の過剰使用が深刻な環境被害を引き起こす世界では、こうした資源の使用を削減することが持続可能性を高めるために極めて重要になる可能性がある。

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垂直農法の普及により、栽培者が作物の環境にいつ、どこで、どの程度の変化を与えるかを制御することもより可能になっているとウェッブ氏は言う。偶然に体内時計の遅いトマトを栽培したのと同じように、植物の概日リズムの変化を解明することで、異なる高度、気候、さらには無駄を減らして収穫量を増やす特殊な屋内施設での栽培にも役立つ可能性がある。

概日リズムに従うことが農業にどれほどの影響を与えるかを誰かが言うまでには、まだやるべきことがたくさんある。しかし、持続可能な技術と思考が個人から産業へと移行している世界では、私たちが育てたい生命の自然な秩序に従うだけの技術が実現する可能性について語られるべきことがある。必要なのは私たち自身の時計を変えることだけだ。