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コウライシバ(Zoysia matrella Merr.)の体内物質移動特性と塩ストレス対応

杉浦 総一郎 東京農業大学

2020.05.12

概要

研究背景および目的
芝草や芝生地は日常生活に深く関りを持ち根付いており,健康やスポーツ,休養などには欠かせない存在であり重要となっている。サッカー,ラグビー,ゴルフ等のスポーツターフは産業に深く結びつき,公園や緑地における芝生地オープンスペースは重要なレクリエーション機能を持ち,また火災や地震等の災害時には避難地として極めて重要な機能が期待される。一方,急激な都市化による水の利用や,降水量が少ない地域における局地的乾燥,干ばつ等の影響による水不足が社会問題となる中で,自治体などでは緑地やゴルフ場において塩分を含む低コストの水利用(散水)対策が行われ,塩分を含む水でも健全な生育が期待・維持できる芝草や芝生地が求められている。イネ科シバ属のコウライシバ(Zoysia matrella Merr.)は緑化空間等に利活用される代表的芝草であり,沿岸海岸地域に本来自生することからその耐塩性が注目されてきた。
塩分寛容性に優れる植物の特徴として,葉身部に存在する塩類腺からの塩分排出や,細胞中の液胞への塩分の隔離など,体内における塩分の移動が報告されている。また,芝草を含むクローナル植物では,個体を形成するラメット間における匍匐茎や地下茎を介した水分や塩分の移動が塩ストレス緩和に影響すると指摘されている。
本研究では,根系部から直立茎部を経て葉身部への塩分移動特性を検証した「塩分の垂直方向性検証実験(A)」と,地上部で芝草個体を形成するラメット間の水分や塩分の移動特性を検証した「水分・塩分の水平方向性検証実験(B)」とに大別した実験を行うことで,コウライシバの垂直・水平方向に伸長生育する各部位における水分と塩分などの移動特性を把握し,「体内の物質移動特性」の分析から塩分寛容性やストレスに対応する個体生態を明確にすることを目論んだ。

実験内容および方法
「塩分の垂直方向性検証実験(A)」では,「長期間の塩ストレスに対する反応(実験 A-1)」と,「塩類腺からの塩分排出特性(実験 A-2)」の 2 つの検証を行った。また,「水分・塩分の水平方向性検証実験(B)」では,「ラメット間の水分の移動特性(実験 B-1)」と「ラメット間の塩分の移動特性(実験 B-2)」のそれぞれ 2 つの検証を実施した。
「長期間の塩ストレスに対する反応(実験 A-1)」では,長期間の塩ストレス環境下における芝草各部位(葉身部,匍匐茎部,根系部)における塩分含有量を明確にするため実験ポット(1/5000a)に養生したコウライシバに,4 段階の濃度のNaCl 溶液[0g/L(Control),7.5g/L, 15g/L,30g/L]を長期間(191 日間)施用した。その後,各部位における Na⁺,Cl⁻含有量,成長量(乾燥重量)を測定した。
「塩類腺からの塩分排出特性(実験 A-2)」では,塩ストレス下で成長するコウライシバ葉身部の塩類腺から排出される塩分量や各塩分濃度に対する塩類腺の数や大きさの変化を検証するために,前述同様の実験ポットに養生栽培したコウライシバに4 段階の濃度のNaCl溶液[0g/L(Control),7.5g/L,15g/L,30g/L]を 35 日間施用した。その後,葉身部(塩類腺)からの塩分(Na⁺,Cl⁻)排出量,葉身部内の塩分含有量,塩類腺数,塩類腺面積等の測定を行った。
「水分・塩分の水平方向性検証実験(B)」では,芝草個体を形成するラメット間の水分や塩分の移動特性を検証するため,3 つの実験用ポットを準備しそれぞれの匍匐茎が連結したまま,養生・生育させた。3 種類の実験用ポットを Basal(基部),Intermediate(中間部), Apical(先端部),SNTS(stolons not touching the soil:まだ発根をしていない幼伸長の匍匐茎)と区分して,各々の実験ポットで生育するラメットに所定の処理を行うことでラメット間の物質移動特性を検証した。さらに,芝草個体を形成するラメット間(Basal,Intermediate, Apical,SNTS)の物質移動特性を把握するため,ラメット間を連結する匍匐茎を切断し,匍匐茎を通じた物質移動を阻止した実験区(Sever)とラメット間を匍匐茎で連結し個体間の物質移動を可能とした実験区(Intact)を各々準備し,両者間における体内物質量や成長量の相違比較によって移動特性を把握した。
「ラメット間の水分移動特性(実験 B-1)」では,ラメット間の水分移動特性を明らかにするため,Intermediate のラメットに 300ml の水道水を与え,Basal,Apical に水分制限処理(50ml~無灌水)を与えた。49 日間の処理の後,各ラメットの各部位(健全葉,枯死葉,匍匐茎部,根系部)における含水率,乾燥重量について測定した。
「ラメット間の塩分移動特性(実験 B-2)」では,Intermediate のラメットに 300ml の NaCl溶液(15g/L)を与え,同時に Basal,Apical には 300ml の水を灌水した。49 日間の施用の後に各ラメットの各部位(健全葉,枯死葉,匍匐茎部,根系部)に含まれる塩分(Na⁺,Cl⁻)濃度,乾燥重量を測定した。また,同時に 3 種類の実験ポット全てに灌水を行った,Control区も併せて準備した。


結果および考察
「長期間の塩ストレスに対する反応(実験 A-1)」
① 191 日間にわたる 4 段階の濃度の NaCl 溶液施用におけるコウライシバの成長量[全乾燥重量(葉身部,匍匐茎部,根系部の合計値)]は,すべての処理塩分濃度間において有意差が検証されなかった。換言すれば,長期間にわたる塩ストレス環境下での生育維持が確認できたこととなり,さらに海水の塩分濃度と同程度の環境下においては匍匐茎部や根系部は健全な状態が確認され,完全に枯死すること無く生存可能であると予測した。
② 葉身部の Na⁺,Cl⁻含有量は,匍匐茎部と比較して約 5 倍,根系部と比較し約 4 倍高い値であり匍匐茎部や根系部と比較して葉身部で有意に高かった。主に葉身部に塩分を転流・蓄積することで,既往文献でも指摘される通り生存のための塩ストレス緩和の作用が確認された。

「塩類腺からの塩分排出特性(実験 A-2)
③ 4 段階の濃度のNaCl 溶液施用環境下において,葉身部の向軸面および背軸面の塩類腺数,塩類腺面積に顕著な変化が認められず有意な差が確認できなかった。つまり,塩分濃度の差は塩類腺数や塩類腺面積に影響しないと確認された。
④ 乾燥環境下(実験ポット内土壌が乾燥した場合のみ NaCl 溶液施用を実施した)における本実験では,既往研究にみられる水耕栽培等の高湿潤環境下と比較して,葉身部の Na⁺含有量が,Na⁺排出量より高い結果で,著しく低い Na⁺排出率であったことを確認した。乾燥環境下では体内水分消費を抑えるために葉身部塩類腺からの塩分排出量を抑え葉身部に蓄積するという特徴を有すると考察した。また土壌水分量が湿潤な環境であれば,塩分蓄積量よりも排出量を増加させることで過剰な塩分を排出し高濃度蓄積を緩和すると考えられた。

「ラメット間の水分移動特性(実験 B-1)
⑤ 植物体内の含水率は地上部(健全葉,枯死葉)の Apical(水分制限環境下)において, Sever よりIntact で約 3 倍高い値で有意な差であることを検証した。また匍匐茎部では Apicalにおいて Sever より Intact で約 2 倍高い値であり有意差が確認された。Basal(水分制限環境下)では有意差は確認されなかったが,地上部と地下部共に Sever より Intact で高い含水率であった。このことから,Intermediate(湿潤環境下)から Basal,Apical の両方向に匍匐茎を介しての水分移動が確認された。また,水分の移動は主に Apical 方向に行われることが判明した。

「ラメット間の塩分移動特性(実験 B-2)
⑥ 個体を形成するラメットの全部位(健全葉,枯死葉,匍匐茎部,根系部の合算値)の塩分(Na⁺,Cl⁻)含有量は,Basal,Apical 共に,Sever と Intact 間に有意差が確認されなかった。NaCl 溶液を施用した Intermediate から匍匐茎を介して,Basal や Apical へ塩分移動が無くラメット間に浸透・拡散しない適応特性が検証されたことは国内外における Zoysia 属芝草の塩分環境適応研究で確認されていない重要な成果を得た。
⑦ ラメットの全部位(健全葉,枯死葉,匍匐茎部,根系部の合算値)の Na⁺,Cl⁻含有量は,塩分施用した Intermediate(SNTS を含む)において Sever より Intact で低い値であった。また全部位の乾燥重量は Sever と比較して Intact で高く Intermediate で 1.3 倍 ,SNTS で 1.5倍高かった。水道水を与えた Basal から NaCl 溶液を与えた Intermediate へ匍匐茎を介して水分移動が起こり Intermediate(SNTS を含む)の体内の塩分濃度を低下・緩和したことが確認された。
⑧Na⁺,Cl⁻含有量は Intermediate ならびに SNTS において健全葉より枯死葉で高く,Severと Intact 共に健全葉の 2~3 倍高い塩分(Na⁺,Cl⁻)含有量であった。塩分蓄積によって最終的に枯死・落葉(脱落)することで個体ラメットから離脱して塩ストレス緩和を図っている生育適応が確認された。
⑨ 塩分施用を行ったIntermediate から伸長したSNTS の匍匐茎のNa⁺含有量は,Control 区(全ての個体ラメットに水を潅水)と比べ有意に高い傾向であった。また土壌に発根せず幼伸長した匍匐茎である SNTS は Intermediate からほぼ全ての物質(水やイオン)が移動・供給されることを検証した。さらに,塩分を施用した Intermediate から,Basal や Apical の両方向に塩分(Na⁺,Cl⁻)が移動していない結果から(⑥),SNTS がラメットとして成育した段階において,Intermediate からの塩分の移動は行われなくなると推察された。

総合考察
以上より,塩分環境下で生育するイネ科シバ属のコウライシバは,土壌から吸収した塩分を水平方向に伸長した匍匐茎によって他のラメットに移動させず(⑥),主に根系部から直立茎部,葉身部へと垂直方向で移動・蓄積(②,)させることで,個体を形成する他ラメットや地下部(匍匐茎部,根系部)等の各部位に塩ストレスが浸透拡散しない緩和適応があることを検証した。それには塩分蓄積によって枯死葉を脱落させることで体内の塩ストレスを緩和していることも含まれると判断できた()。このような垂直方向への塩分の移動特性は,長期間における塩ストレス環境下で生育成長できる適応能力であると考察した(①)。
コウライシバの個体を形成するラメット間では水分の移動や供給が行われており(⑤),塩分環境下におけるラメットでも匍匐茎を介して水分移動と供給が行われ,塩ストレスを緩和していると考えられた(⑦)。また,Intermediate から幼伸長したまだ発根をしていない匍匐茎(SNTS)には塩分が供給されており,Intermediate からほぼ全ての物質(水やイオン)が移動・供給されることを検証した(⑨)。
塩類腺からの塩分排出量(③,④)やラメット間の体内塩分濃度低下(⑦)には土壌水分が関与することから,土壌水分と塩ストレス緩和の重要な関係性を把握した。
以上より,コウライシバの体内物質移動特性を検証する実験により明らかにした個体の塩ストレスへの適応能力の特徴は,様々な緑地空間のみならず乾燥地などの荒廃地におけるリサイクル水や地下水等の塩分が含まれる水の利用を可能とし,芝草による緑地や土地の永続性を持続できる示唆を得るなど,極めて重要で有益な成果を得た。

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