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Nov 10, 2023

湛水スナップインゲン (Phaseolus vulgaris L.) の被害軽減に対する酸素施肥の効果

Rapporti scientifici Volume 12,

Scientific Reports volume 12、記事番号: 4282 (2022) この記事を引用

1624 アクセス

6 オルトメトリック

メトリクスの詳細

洪水は、フロリダ州の野菜生産における主要な非生物的ストレスの 1 つです。 湛水したスナップインゲン植物の生化学的および生理学的状態に対する酸素施肥の影響を評価するために、スナップインゲンの水耕栽培およびポット試験を実施した。 水耕栽培試験では、(1) 浸水 (対照)、(2) 周囲空気によるバブルエアレーション、および (3) 試験開始時に過酸化水素 (H2O2) を適用する 3 つの処理がありました。 植物の健康状態は、窒素 (N) とリン (P) の取り込み率を測定することによって評価されました。 温室ポット試験は、過酸化カルシウム (CaO2) と過酸化マグネシウム (MgO2) のような固体酸素肥料の 3 つの異なる施用量の効果を定量化するために使用されました。 結果は、植物の窒素およびリンの取り込み率が、H2O2 を使用しない場合よりも H2O2 を使用した場合に有意に大きい (p < 0.05) ことを示しました。 H2O2 による N の取り込み速度は、バブリングによるものと同様でした。 バブリング条件および H2O2 条件では、NH4+ の取り込み速度が NO3- の取り込み速度よりも有意に高かったが、フラッディング条件では、NO3- の取り込み速度が NH4+ の取り込み速度よりも有意に大きかった。 植物の高さ、葉の緑さ、苗条バイオマス、および収量はすべて、CaO2 または MgO2 を使用した場合、いずれの固体酸素肥料を使用しない場合よりも大幅に大きくなりました。 浸水スナップインゲンの損傷が最小限になるのは、ポットあたり 2 g の CaO2 または 4 g の MgO2 であることがわかりました。 これらの結果は、酸素施肥が湛水スナップインゲン植物の収量を潜在的に向上させる可能性があることを示しました。

フロリダ州は、スナップインゲン（Phaseolus vulgaris）の生産面積と生産額の合計で第 1 位ですが、スナップインゲンの生産性は、ハリケーンや熱帯暴風雨による大雨によって大幅に低下することがよくあります。 スナップインゲンは洪水の影響を受けやすく、低酸素ストレスにさらされるため、成長が抑制され、収量が減少します1。 Holbrook と Zwieniecki2 によれば、低酸素ストレスの主な原因は土壌の酸素欠乏です。 酸素の拡散係数は、水中（1.97 × 10-5 cm2 s-1）よりも空気中（2.14 × 10-1 cm2 s-1）の 10,000 倍大きくなります。 ほとんどの植物種 3 では、溶存 O2 濃度が 2 mg L-1 未満の根域土壌で酸素欠乏が発生します。 したがって、浸水した畑のスナップインゲン植物は、正常な根の代謝に必要な生物利用可能な酸素が不十分であり、浸水被害に悩まされます。

低酸素状態では、嫌気性代謝が活性化され、酸化的リン酸化が停止します。 解糖系に由来するATP生合成速度は低い4,5,6,7。 クレブス回路では、最終的な電子受容体として生体利用可能な O2 が不足するため、中間体が蓄積し、NAD(P)+ レベルが減少し、ピルビン酸が蓄積し、ATP 濃度が低下します。 これらの変化は、窒素（N）やリン（P）などの栄養素の摂取やそれらの同化など、植物の代謝に悪影響を及ぼします3,8。 さらに、植物はエタノールの蓄積と嫌気性代謝で生成される毒素の影響を受けます9。

アルコールデヒドロゲナーゼ (ADH) は植物においてよく研究されている酵素であり、低酸素または嫌気条件にさらされると根で誘導されます。 根域の酸素の生物学的利用能が低い場合、ADH 活性が大幅に増加し、低酸素または酸素欠乏に対する植物の耐性が向上します 10,11。 ADH 活性は、低酸素条件または嫌気条件における植物の生存に不可欠であると考えられています12。 したがって、浸水した植物の根端におけるADH活性は、浸水に対する潜在的な耐性と浸水の激しさの指標として使用されます。

根域の酸素施肥は、洪水ストレスによる被害を軽減する可能性のある方法です。 酸素肥料には、CaO2 や MgO2 などの固体酸素肥料 (SOF) と、過酸化水素 (H2O2) などの液体酸素肥料の 2 種類があります13,14。 ここに挙げた固体酸素肥料は生体利用可能な酸素をゆっくりと放出する、すなわち徐放性酸素肥料ですが、液体酸素肥料である H2O2 は生体利用可能な酸素を急速に放出し、速効酸素肥料と考えられます。 過酸化水素は、カタラーゼ酵素 (EC 1.11.1.16) によって生物学的に分解できます。 H2O2 の分解により、式 15 に示すように、H2O2 1 モルあたり 0.5 モルの生体利用可能な O2 が放出されます。

浸水した土壌では、固体酸素化合物 (CaO2、MgO2 など) が H2O2 に分解され、式 1、13 に示すように、生体利用可能な酸素が根圏に供給されます。

したがって、不溶性固体酸素肥料で改良された土壌は、洪水によって引き起こされる根域の低酸素ストレスを潜在的に軽減する可能性があります。

この研究の目的は、(1) H2O2 施用による水耕液の酸素の生物学的利用能動態を定量化すること、(2) 湛水したスナップインゲン植物による窒素およびリンの取り込みに対する酸素肥料施用の影響を決定すること、および (3) その効果を評価することである。湛水スナップインゲンの成長と収量に異なる速度での緩効性固体酸素肥料の使用。

水耕栽培試験 1-1 では、「フラッディング」は、曝気も H2O2 の適用も受けない溶液中で栽培される植物として定義されます。 すべての処理において、養液中の NO3- および P の濃度は時間の経過とともに減少しました (図 1)。これは、NO3- および P が植物に取り込まれたことを示しています。 対照とエアレーションまたは H2O2 適用の間では、栄養素の摂取速度に差がありました。 しかし、H2O2 処理と曝気処理の間で NO3- の取り込み速度に有意な差はありませんでした (図 2)。 NO3 吸収率は、曝気または H2O2 処理よりも浸水の方が約 50% 低かった。 リンは NO3- と同様の傾向を示しました。 H2O2 処理と曝気処理の間に有意差はありませんでしたが、フラッディング制御では、H2O2 処理と曝気処理のそれぞれよりもリンの取り込み率が大幅に低くなりました (図 2)。 10 時間の実験では、溶存酸素 (DO) 濃度は H2O2 処理と曝気処理の間で有意な差はありませんでした (図 3)。 2 時間後の対照の DO レベルは、H2O2 および曝気処理のそれぞれよりも有意に低かった。 この結果は、H2O2 の適用が水耕液の酸素化においてエアレーションよりわずかに優れた効果があることも示しています。

3 つの処理による測定溶液中の NO3- (I) および P (II) 濃度の時間の経過に伴う動的変化: (1) 測定のためにあらかじめ設定された時間後にバブリングまたは H2O2 を適用せずにフラッドします (約 100 μM DO レベル)。 （２）エアレーション（バブリング、２５０μＭ ＤＯ）。 (3) 529 μM H2O2 の適用。 同じ時点での異なる文字は、Tukey の正直有意差 (HSD) 検定に基づく有意差を示します (p ≤ 0.05)。

10 時間の 3 回の処理による NO3- (I) および P (II) の累積取り込み：（1）フラッド（0 時間で約 100 μM DO レベル）。 （２）エアレーション（バブリング、２５０μＭ ＤＯ）。 (3) 529 μM H2O2 の適用。 異なる文字を持つバーは、Tukey の正直有意差 (HSD) 検定に基づいて有意に異なります (p ≤ 0.05)。

10 時間の 3 つの処理による溶存酸素 (DO) 濃度: (1) 曝気または H2O2 適用なしのフラッド)。 （２）エアレーション（バブリング、２５０μＭ ＤＯ）。 (3) 529 μM H2O2 の適用。 異なる文字を持つバーは、Tukey の正直有意差 (HSD) 検定に基づいて有意に異なります (p ≤ 0.05)。

試験 1 ～ 2 では、植物は H2O2 および曝気処理で最初に NH4+ を吸収しましたが、浸水処理では最初に NO3- を吸収しました。 フラッディング処理では、DO レベルは 0 から 10 時間で 3 mg L-1 から約 0.01 mg L-1 に減少し、NO3- および NH4+ 濃度は時間とともに減少しました（図 4）。 0 から 8 時間まで、NO3- の減少は NH4+ の減少よりも速く、NH4+ 濃度は NO3- の減少よりも高いままでした。 10 時間後、NO3- と NH4+ の濃度に大きな違いはありませんでした。 しかし、H2O2 および曝気処理 (図 4) では、0 から 8 時間の間、NH4+ の濃度は NO3- の濃度よりも速く減少し、NO3- の濃度は NH4+ の濃度よりも高いままでした。 H2O2 処理の DO レベルは、0 ～ 10 時間の間 8 mg L-1 以上を維持し、20 時間で 3 mg L-1 に低下しました。これは、満足のいく DO 濃度を維持するには、H2O2 を 20 時間ごとに適用する必要があることを示しています。

3 つの条件による容器内の NO3-、NH4+、および DO 濃度の動的変化。 I = 曝気条件、II = 20 時間のフラッディング条件 (3 mg L-1 DO レベルで開始、酸素補給なし)、III = 0 時間で 529 μM H2O2 によるフラッディング条件。 アンモニウム = NH4+ 濃度、硝酸塩 = NO3- 濃度、酸素 = DO 濃度。 濃度の読み取りは 10 分ごとに行われました。

試験 1 ～ 3 では、溶液中の DO レベルは開始時に 8 mg L-1 であり、空気が飽和していました。 DO レベルは、0 ～ 20 時間の間、曝気 (8 mg L-1) よりも H2O2 (図 5) の方が一貫して有意に高かった。 ただし、DO レベルは 20 時間後に約 0.01 mg L-1 に低下しました。これは、2 日目の開始前に低酸素ストレスが発生したことを示しています。H2O2 を適用する前の 2 日目の開始では、NO3- の取り込み速度が大幅に高かったです。試験 1 ～ 2 のフラッディング処理でも観察された NH4+ のそれよりも優れています (図 4)。 硝酸塩には酸素原子が 3 つ含まれており、細胞呼吸において末端電子受容体として機能する酸素を供給できますが、アンモニウムには酸素が含まれません。 この傾向の逆転は、2 日目の初めに H2O2 を適用してから 1 時間後に起こり、3 日目には H2O2 を適用してから 3 時間後に起こりました。

96 時間にわたる容器内の NO3-、NH4+、DO 濃度の動的変化。 容器内の溶液に０時間でＯ２を曝気し、４８時間で５２９μＭのＨ２Ｏ２を適用した。 5 mg L-1 の NO3- および NH4+ を 24 時間ごとに適用しました。 アンモニウム = NH4+ 濃度、硝酸塩 = NO3- 濃度、酸素 = DO 濃度。 濃度の読み取りは 10 分ごとに行われました。

試験 2 では、SOF を施用した苗木は、湛水後 2 日目に、SOF を施用しなかった苗木よりも有意に多くの土壌植物分析発達単位 (SPAD) 測定値を示しました (表 1)。 SPAD 測定値は、葉のクロロフィル含有量に関連する葉の緑色の指標です。 さまざまな CaO2 比率にわたって、SPAD 測定値は、CaO2 比率が高い場合よりも 1 g CaO2 の場合の方が低くなりました。 MgO2 の施用量は葉の緑度において有意ではありませんでした。 さらに、浸水したプラントの SPAD 測定値の差も、過酸化物を適用しない場合よりも、2 g、4 g、および 8 g の CaO2、および 8 g の MgO2 を使用した場合の方が有意に大きくなりました。 しかし、氾濫のない植物は、2 g、4 g CaO2、および 4 g、8 g MgO2 のそれぞれを使用した場合、1 g CaO2 を使用した場合または過酸化物を使用しない場合よりも有意に大きな SPAD 測定値を示しました。 1 g の CaO2 を使用した場合の測定値は、酸素施肥を行わない対照よりも有意に大きかった。 2 g と 4 g の CaO2、およびすべての MgO2 比率の間に有意差は見つかりませんでした (表 1)。

浸水した植物は、過酸化物を適用しない場合よりも、CaO2 または MgO2 を使用した場合の方が著しく背が高かった。 湛水がない場合の草丈は、酸素肥料を使用した場合よりも酸素肥料を使用した場合に比べて有意に高かった。 4 g の CaO2 と 4 g の MgO2 を与えた非湛水植物の高さが最も高かった (表 1)。

浸水した植物のシュートバイオマスは、SOF を使用しない場合よりも CaO2 または MgO2 を使用した場合の方が大きかった (表 1)。 非湛水処理では、2 g MgO2 を使用し SOF を使用しないもののみが植物バイオマスが最も低かった (表 1)。

浸水スナップインゲンのさや収量は、対照よりも SOF 処理の方が多かった (図 6)。 2 g CaO2 および 8 g MgO2 処理では、対照よりも収率がほぼ 50% 高く、残りの処理の収率よりも有意に高かった (図 6)。

ポット内のスナップインゲンの収量 (I) および ADH (II) に対する、洪水および CaO2 および MgO2 の施用の影響。 横軸は、CaO2とMgO2の適用量の違いを示しています。 CK1 は、CaO2 および MgO2 を含まず、フラッディングありのグループを表します。CK2 は、CaO2 および MgO2 を含まず、フラッディングなしのグループを表します。 異なる文字を持つビンは、p ≤ 0.05 で有意に異なります。

生物指標として、ADH 活性は、浸水植物の成長と発育に対するさまざまな量の SOF の影響を評価するために使用されます。 ADH 活性は、フラッディング処理よりもすべての SOF 処理で有意に低かった。 例えば、ADH活性は、酸素受精なしの湛水したスナップインゲン植物のタンパク質1mg当たり毎分44nmol NADHから、4gのCaO2を含む湛水植物のタンパク質1mg当たり5nmol NADH/分までの範囲であった（図6）。 ADH 活性が低いことは、SOF 処理がフラッディング処理と比較してフラッディング ストレスがはるかに小さいことを示しています。 2 g CaO2、4 g CaO2、および 8 g MgO2 の処理では、他の処理よりも ADH 活性が著しく低く (図 6)、これは、これらの処理が他の処理と比較してフラッディング ストレスがさらに低いかまったくないことを示しています。 この結果は、フラッディングストレスの緩和における SOF の可能性を評価するための生理学的証拠を提供しました。

試験 1 では、H2O2 処理は、低酸素ストレス下での植物の N および P の取り込みにプラスの効果をもたらしました。 浸水した植物の摂取率の低下は、おそらく浸水によって引き起こされる酸素欠乏と嫌気呼吸に起因する ATP 不足によって引き起こされたと考えられます。 したがって、O2 を直接供給する H2O2 の適用は、低酸素損傷を軽減する可能性のある方法でした。 この発見は他の研究によって裏付けられています。 Jampeetong と Brix16 は、NO3- を供給された Salvinia natans 植物は低酸素溶液中では正常に成長するが、窒素源として NH4+ のみが供給された場合には大きく抑制されることを発見しました。

試験 2 では、SOF の適用が洪水ストレス下でのスナップインゲン植物の成長と発育を促進するという結果が示されました。 Lakitan17 は、スナップインゲンの総収量と生存率は、生殖発達が始まった後 (28 DAP) に課せられた洪水の影響を受けやすく、その後の成長時に課せられた洪水 (> 28 DAP) が総収量を大幅に減少させたと報告しました。 生き残った植物はほとんどなく、36 DAP で洪水が課されたときは測定可能な収量はありませんでした。 将来的には、さまざまな浸水期間で SOF を使用したさらなる試験をさまざまな植物の成長段階で実施する必要があります。

取り込み後、窒素同化は、NO3- の NH4+ への還元とそれに続く NH4+ のアミノ酸への取り込みを含むいくつかのステップを経ます 18。 NO3- の還元は、硝酸還元酵素 (NR、EC 1.6.6.1-3) によって触媒されます。 硝酸レダクターゼは NO3- を NO2- に還元し、その後葉緑体に移されて亜硝酸レダクターゼによって NH4+ に還元されます (NiR、EC 1.6.6.4)。 その後、NH4+ を使用してグルタミンシンターゼによってグルタミンが生合成されます (GS、EC 6.3.5.1)19。 硝酸レダクターゼは、洪水などの多くの環境要因によって厳しく制御される重要な酵素です20,21。 酸素欠乏および低酸素は NR 活性を増加させ、利用可能な分子状酸素のない NO3- はエネルギーを得るために有機分子を酸化するために使用されます。これは「硝酸塩呼吸」と呼ばれる現象です 22。 この研究は、NR および NiR 活性の増加により NO3- の取り込みと同化が促進されるため、低酸素状態ではスナップインゲンが NH4+ よりも多くの NO3- を吸収するという結果を裏付ける可能性があります。 初期の試験では、イネの嫌気発芽中の硝酸同化を監視するために標識15 NO3- を使用し、15 N がアミノ酸に取り込まれることが示されました23。 その結果、酸素欠乏時に供給された外因性 NO3- が植物によって同化されたことが確認されました 23。 たとえ湛水作物への NO3- 供給が生存率を高めたとしても、そのプラスの効果の根底にある生化学的および分子的メカニズムは完全には理解されていません。 したがって、NO3-補正剤による洪水から植物が生き残るためのメカニズムを投資するには、将来の研究が必要となるでしょう。

この研究の結果は、NO3-の補給がNH4+の取り込みを高める可能性があるという傾向を示しました（図4）。 たとえば、NO3- を十分に供給すると、オオムギの根の酸素欠乏または低酸素の影響を軽減できました9。 NO3- は、低酸素または無酸素状態において代替の末端電子受容体として機能することができるという仮説が立てられています8。 硝酸塩は他の方法で酸素欠乏症の影響を軽減する可能性があります。 NO3- が十分に供給されると硝酸レダクターゼ活性が直接誘導されるため 24、それによって NADH がアセトアルデヒドのエタノールへの還元から迂回されます。 細胞内での有害なエタノール濃度の蓄積が遅れます。 また、NO3- は根圏酸化還元電位に影響を与える可能性があり、O2 欠乏根への流入または部分的に通気された浅い根への取り込みを通じて酸素源として機能する可能性があります9。

この研究の結果は、過酸化物、CaO2 および MgO2 がスナップインゲンの浸水被害を軽減する可能性があることを示しました。 何人かの研究者は、洪水が長引くと、根や芽の成長の停止、しおれ、栄養素の摂取量の減少、そしてしばしば植物の枯死を引き起こすことを観察しています25。 ラキタンによれば[17]、スナップインゲンのさまざまな成長段階での氾濫は成長と収量に異なる影響を及ぼし、湛水期間が長くなると生存率と収量が低下するという証拠がある[17]。 したがって、洪水ストレスの軽減に対する固形酸素施肥の効果、およびさまざまな成長段階およびさまざまな洪水処理期間でのスナップインゲンの生存率を評価するには、さらなる研究が必要です。

スナップインゲンは低酸素ストレスに弱く、特にハリケーンや熱帯低気圧の季節にはしばしば洪水に見舞われます。 私たちは、酸素施肥がNH4-、NO3-、リンの取り込み速度、成長、および湛水スナップインゲンの収量にどのような影響を与えるかを調査するために、水耕栽培とポットの両方の試験を実施しました。 H2O2、CaO2、MgO2 を含む 3 つの過酸化物が評価されました。 この研究の結果は、酸素施肥が浸水したスナップインゲンの浸水被害を最小限に抑える可能性があることを示しました。 過酸化水素を適用すると、溶存酸素レベルとスナップインゲンによる NH4+、NO3-、および P の取り込み速度が大幅に増加しました。 スナップインゲンは、生体利用可能な酸素を十分に含む NH4+-N を優先的に取り込みました。 ただし、洪水状態では NO3-N が推奨されます。 2 g CaO2 または 8 g MgO2 の固体酸素肥料の適切な投与量は、すべての湛水スナップインゲン植物の中で最大の収量をもたらしました。 したがって、CaO2 と MgO2 の両方の酸素施肥は、浸水したスナップインゲン植物によって N や P などの栄養素を吸収し続け、浸水被害を軽減し、収量損失を最小限に抑える可能性があります。 これらの新しい酸素施肥方法は、経済的損失を軽減し、さまざまな低酸素ストレスに直面することが多い農業に利益をもたらす可能性があります。

スナップインゲン (P. vulgaris. cv. 'Bronco') は主要な野菜作物であり、米国で広く栽培されています。 「ブロンコ」種子は研究および育種用に市販されており、2015年春に研究が開始される前に、ジョージア州ノーマンパーク（GPS座標：緯度31.2462、経度-83.6549）にある種子会社HOSS TOOLSから購入した。 -Gro® 庭土は、フロリダ州ゲインズビルの Lowes から調達しました。

試験 1 では、スナップインゲンの種子を 0.15% H2O2 に 24 時間浸し、脱イオン (DI) 水で 5 回洗浄し、湿らせた濾紙を敷いた 12 cm のペトリ皿に入れ、ジップロック内に密封しました。ビニール袋に入れて 33 °C で一晩インキュベートします。 苗が出てきた後、各苗を直径5.1cmのプラスチックメッシュバスケットに移植しました。 バスケット (ネット ポット、ネット カップ、ワイド リム デザインの頑丈なプラスチック ネット ポット) を空気栽培システムに置き、根の急速な成長と発達を可能にしました。 エアロポニック システムは、10% ホーグランド溶液 26 が半分満たされたタンク、噴霧ポンプ、チューブ、および根に継続的に噴霧する 3 つのスプリンクラーで構成されていました。 ２週間後、３枚の本葉を備えた苗を風耕システムから水耕システムに移し、測定用に根を１０００ｍＬの０．２ｍＭ ＣａＳＯ４溶液に浸漬した。 カルシウムは生体膜の無傷性と選択性に不可欠であるため、0.2 mM CaSO4 溶液の使用は膜を保護するためでした 27。

試験 2 では、2 つのサイズのポットを異なる目的に使用しました。 直径7.6cm×高さ8.9cmの小さめのポットは発芽用です。 直径15cm×高さ16.5cmの大きめの鉢を製作します。 Miracle-Gro® 庭土を使用し、肥料をポットごとに次のように適用しました: NH4NO3、2.92 g。 三重過リン酸塩、1.65 g。 塩化カリウム、ポットあたり 0.44 g。

試験はすべて、フロリダ州ゲインズビルにあるフロリダ大学/IFASの園芸科学部で実施されました。 水耕栽培試験には 3 つのサブ試験がありました。 試験 1-1 と 1-2 では、同じ治療を 4 回繰り返しました。 試験 1 ～ 1 は、温度範囲 23 ～ 27 °C、16 時間昼光、8 時間暗所の環境制御された増殖チャンバーで実施されました。 試験 1 ～ 2 および試験 1 ～ 3 は、温度範囲 23 ～ 27 °C の標準温室で実施されました。 実験 2 は自然雰囲気の高いトンネル内で実施されました。 処理は、(1) 設定時間経過後のバブリングや H2O2 の適用を行わないフラッディング制御 (開始時の DO レベル約 100 μM、酸素補給なし)、(2) エアレーション (エアポンプによる継続的な酸素供給)、 (3) H2O2 (0 時間で 529 μM H2O2 を適用)。 増殖培地は、0.22 g L-1 KH2PO4、0.373 g L-1 KNO3、0.02 g L-1 CaSO4、0.012 gL-1 MgSO4、0.29 mg L-1 H3BO3、0.18 mg L-1 MnCl2 を含む 1 L の脱イオン水でした。 4H2O、0.02 mg L-1 ZnSO4・7H2O、0.008 mg L-1 CuSO4・5H2O、0.002 mg L-1 H2MoO4・H2O、0.65 mg L-1 エチレンジアミン四酢酸 (EDTA)、および 0.62 mg L-1 FeSO4・7H2O。 トライアル 1 ～ 1 では、ポットの中心から 2 mL のサンプルを 2 時間ごとに 10 時間収集しました。 Seal AQ-2 個別分析装置 (2006 SEAL Analytical Ltd.、ウィスコンシン州メクオン) を使用して、サンプルのオルト P (EPA メソッド 365.3) および NO3- (EPA メソッド 352.1) を分析しました (図 1)。

試験 1 ～ 2 では、Neulog™ 溶存酸素センサー、Neulog NO3- センサー、および Neulog NH4+ センサーを各容器にセットアップして、濃度変化を監視しました (図 7)。 これら 3 つのセンサーを組み合わせて各コンテナに設置し、センサーと植物を保持して太陽光を遮るのにアルミホイルを使用しました。 データは 10 分ごとに 20 時間監視され、NeuLog™ 溶存酸素センサー、硝酸塩ロガー センサー、アンモニウム ロガー センサー (Neulog ブランドの溶存酸素センサー、EISCO Scientific、ニューヨーク州ロチェスター) で記録されました。

スナップインゲンの水耕栽培において、NH4+、NO3-、DO の濃度変化をモニタリングするために使用される容器とセンサーの図。

トライアル 1 ～ 3 では、トライアル 1 ～ 2 と同じセンサーと設定を使用して、一貫して動的な窒素の変化を 96 時間監視しました。 増殖培地は試験 1-1 と同じ成分を含む 1 L の脱イオン水でしたが、0.22 g L-1 KH2PO4 および 0.373 g L-1 KNO3 の代わりに 0.57 g L-1 NH4H2PO4 および 1.8 g L-1 KNO3 を使用しました。 さらに、0.57 g L-1 NH4H2PO4 および 1.8 g L-1 KNO3 を 24 時間ごとに適用して、5 mg L-1 の NO3- および 5 mg L-1 の NH4+ を提供しました。 データは 4 日間 (96 時間) 30 分ごとに記録されました。

試験 2 では、完全にランダム化されたデザインが 4 回の複製で使用されました。 異なる割合の 2 つの SOF、つまり CaO2 はポットあたり 0、1、2、および 4 g、MgO2 はポットあたり 0、2、4、および 8 g でした。 種子を7.6cmポットに2週間植え、発芽後15.2cmポット(内容積2,622cm3)に移した。 SOF、CaO2、MgO2を用土に混合し（ポットあたり約2,000cm3）、混合した土を15.2cmポットに加え、苗をそれぞれのポットに移植しました。 1ポットに1本の苗を植えました。 肥料の割合はフロリダ州の野菜生産ハンドブックに基づいています28。 N、P、K の施用量は、シーズン全体で 112 kg ha-1、134 kg ha-1、および 134 kg ha-1 でした。 1 週間後、CaO2 と MgO2 を含む両方のグループをそれぞれ 2 つのサブグループに分けました。 1 つのサブグループは、2 日間の浸水条件をシミュレートするために、水を満たした 18.9 L バケツに個別に浸水されましたが、別のサブグループは浸水されませんでした。

SPADメーター（クノイカミノルタ、大阪、日本）によって測定された葉のクロロフィル含有量を表す葉の緑度、草丈、ADH活性、および苗条バイオマスのデータは、浸水した植物がしおれ始めたときに測定されました。 収量データを収集するために、この試験を同様に繰り返し、収量を 55 DAP で測定しました。

試験 2 では、湛水から 2 日後に、処理ごとに約 1 g の根 (先端から 4 ～ 5 cm) を収穫し、液体窒素で満たされた容器に置きました。 根の ADH 活性は、以下の方法 30 の修正に従って測定されました。 根の先端（1 g）を、7.88 g L-1 Tris-HCl（pH 8.0）、0.29 g L-1 EDTA、0.5 μg L-1 DTT、および 0.08 mg から構成される抽出溶液緩衝液（10 ml）中でホモジナイズしました。 L-1 β-メルカプトエタノール。 次に、ADH酵素の抽出液を4℃、15,000rpmで10分間遠心分離した。 100 μLの酵素溶液を、7.88 g L-1 Tris-HCl (pH 9.0)、0.29 g L-1 EDTA、および0.66 g L-1 NADから構成される900 μLの反応溶液に添加しました。 混合物を 1.5 mL 微量遠心管内で、水浴中で 30 °C で 3 分間インキュベートしました。 測定可能な反応を開始するために、100 μL の 100% エタノールを 900 μL の反応混合物に添加しました。 測定は 15 秒後に行われ、A340 での吸光度が 15 秒ごとに 2 分間記録されました。 キュベット内で１分間の反応時間の後、分光光度計（Ｅｐｐｅｎｄｏｒｆ ＢｉｏＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ（登録商標）、米国ニューヨーク州ホーポージ）を用いて３４０ｎｍで読み取りを行い、ＮＡＤＨの濃度を測定した。 活性は、340 nm における NADH のモル吸光係数として 6.22 mmol-1 cm-1 の値を使用して計算されました 31。

すべての統計分析は、R Studio 統計ソフトウェア (RSTUDIO, INC.、マサチューセッツ州ボストン) を使用して実行されました。 一元配置分散分析を適用して、SPAD 読み取り値、草丈、苗条バイオマス、収量、および ADH 活性の重要性をテストしました。 有意な効果の平均値の比較は、Tukey HSD 検定を使用して決定されました。 収集されたデータはすべて ANOVA による統計分析の対象となり、5% での HSD の値が計算され、2 つの平均ごとに比較されました。平均と相関係数間の差異は、p < 0.05 レベルで統計的に有意であるとみなされました。

品種として使用されるスナップインゲン材料「ブロンコ」の収集を含む、植物に関するすべての実験は、関連するガイドライン、規制、法律に従って厳密に実行されました。

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Ed Hanlon、フロリダ大学の Ashok Alva、およびオーバーン大学の Mary Dixon が原稿をレビューし、改善に協力しました。

フロリダ大学園芸科学部/IFAS、1253 Fifield Hall、2550 Hull Road、私書箱 110690、ゲインズビル、フロリダ州、32611、米国

丹陽劉、アンナリサ・ポール、郭東劉

土壌および水科学部、フロリダ大学/IFAS、マッカーティ ホール、ゲインズビル、フロリダ州、32611、米国

ケリー・T・モーガン

フロリダ大学バイオテクノロジー研究学際センター、ゲインズビル、フロリダ州、32610、米国

アンナ・リサ・ポール

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GDL、DL、AL.P.、および KTM は実験を概念化しました。 DL は実験を実施し、データを分析し、原稿の初稿を書きました。 著者全員が原稿の編集と改善に貢献しました。 GDLは原稿を完成させた。

Guodong Liu への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Liu, D.、Paul, AL.、Morgan, KT 他湛水スナップインゲン (Phaseolus vulgaris L.) の被害軽減に対する酸素施肥の効果。 Sci Rep 12、4282 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-08165-5

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受信日: 2021 年 9 月 29 日

受理日: 2022 年 3 月 3 日

公開日: 2022 年 3 月 11 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-08165-5

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