植物の微量要素吸収・アミノ酸キレートとは? Vol.4(全4回)

チュートリアル 更新日:

 

当記事では、YouTubeチャンネル「味の素グループアミノ酸肥料ch」で公開されている動画「【科学的/徹底解説】農業におけるアミノサイエンスvol.1 キレート材としてのアミノ酸 目から鱗の作用メカニズムを全公開 スペイン技術者が科学的見地からの徹底解説」の内容をテキスト化してご案内しています。

前回のVol.3ではキレート化のメカニズムに焦点をあて、前半ではキレート化のプロセスやキレート剤の強度、サイズの重要性について、また後半では「テクノケルアミノCaB」と「テクノケルアミノMix」それぞれの独自性と効果に注目して解説しました。

このシリーズ最後となる今回Vol.4では、植物の栄養吸収にフォーカスして解説します。植物はどのように土壌から栄養素を吸収し利用するのか? 栄養吸収のプロセスと葉の役割は? クチクラとは?など、詳細にお伝えしていきます。

【この記事で紹介されるバイオスティミュラント】

目次

    植物の栄養吸収プロセス

    栄養吸収の方法と利用の仕方

    植物の栄養吸収の要となるのは根であり、水分とほとんどの栄養素を土壌から吸収します。土壌から成長に必要な栄養素を選択して細胞に取り入れ、葉や茎、花、果実といった各器官に運び、細胞分裂を活性化させるためのエネルギー源として活用します。

    では、植物はどのようにして土壌から水と栄養素を吸収し利用するのか、栄養吸収の基礎から順に見ていきましょう。

    栄養吸収の基礎

    陸上で育つ植物は、基本的に根を通じて土壌から多量の栄養素を吸収し、成長器官に運んでいます。栄養素はそれぞれ必要な場所で細胞分裂のエネルギー源となることで、成長プロセスに大きく貢献しています。

    まずは、植物がどのような栄養素で構成されているのか確認しましょう。

    植物は主に炭素(C)、水素(H)、酸素(O)の3つの栄養素で構成されており、これらは全体の94%と大部分を占めています。また、これらの栄養素のうち、水素や酸素のほとんどは土壌から得るものです。

    残りの6%のうち5%は主要栄養素、さらに残りの1%のなかに、副次的多量栄養素、微量要素が含まれています。数値的には少量ですが、副次的栄養素も微量栄養素も、健康に成長するためには必須な栄養成分です。

    植物が必要とする数ある栄養素のうち、主要栄養素、副次的多量栄養素、微量栄養素、と必要量順に並べると以下のように分類されます。

    • 主要栄養素:窒素(N)、リン(P)、カリウム(K)
    • 副次的多量栄養素:カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、硫黄(S)
    • 微量養素:ホウ素(B)、鉄(Fe)、塩素(Cl)、マンガン(Mn)など

    主要栄養素は細胞を構成する要素であるため、多量に必要とします。副次的多量栄養素も必要量は少ないものの、同様に細胞の構成要素となる重要な成分であり、植物の健康維持には不可欠です。

    微量養素は酵素活性の補助を役割とし、補助因子として極めて少量を必要とします。

    植物を構成する栄養素のわずか6%分とはいえ、どれも病気やストレス症状を抱えずに成長するためには欠かせないものです。そのため植物には、根から水分と併せて溶解した必須栄養素を選択的に取り入れる能力を保持しています。このように植物は根の細胞による吸収能力によってエネルギーを確保しており、その栄養吸収のプロセスは植物の生育に大きく影響します。

    葉の役割

    こちらの画像は、葉の断面を図にしたものです。

    植物の根に水分と栄養を吸収する役割があるように、葉にも気体の交換や、光合成による栄養素合成といった役割があります。

    葉は主に気体の交換と光合成を担い、栄養素の吸収率は根と比べると限定的です。

    葉の大切な役割である光合成に焦点を当ててみましょう。葉は、葉肉細胞内にある葉緑体が太陽からの光エネルギーを利用することで、炭素の化合物である炭水化物(グルコース)を合成します。この一連の流れがいわゆる光合成です。

    水や酸素とは異なり、土壌からの炭素吸収は微量のため、光合成により補っています。光合成で必要な水は根から吸収し、二酸化炭素は葉の気孔から吸収し活用します。

    光合成は単一的に葉の中でおこなわれるものではなく、ある種の循環を形成している成長プロセスのひとつです。光合成にはクロロフィルが必要であり、クロロフィルを生成するにはグルタミン酸が、グルタミン酸を生成するには光合成によるグルコースが必要と、相互作用が働いています。そのため、光合成をおこなうには、まずは中心要素であるクロロフィルの合成が必要となります。

    上の図は、グルタミン酸とクロロフィル合成のプロセスを図式化したものです。

    まず右側の図をご覧ください。葉に蓄積されたグルタミン酸(アミノ酸)は、さまざまな酵素との結合を繰り返し、葉緑素となるクロロフィルを合成します。その後、生成されたクロロフィルは太陽光、水、二酸化炭素を使って光合成をおこない、酸素やグルコース(炭水化物)を合成します。グルコースはグルタミン酸合成の主要要素であるため、さらに結合を繰り替えし、再びグルタミン酸と姿を変えていくのです。

    光合成サイクルにより合成されたグルコースは、成長エネルギー源として葉以外の体内にも供給され、各器官で蓄積されます。根の形成や花、果実の成熟など、成長活動の全般を支えています。

    このように光合成プロセスにおいては、根や葉より吸収された栄養素が重要な役割を果たしているのは明白です。特に、主要栄養素である窒素はアミノ酸の合成に必須であり、植物のタンパク質生成にも寄与しています。アミノ酸は、植物の生理的プロセスには不可欠な要素です。光合成を司る葉の役割は根と同等に、成長プロセスにおいて重要視される器官なのです。

    微量要素、アミノ酸キレートとのつながり

    近年は微量要素不足やバランスの悪い土壌、塩害の発生など、世界中の多くの農家が頭を悩ませています。同じ圃場での連作によって微量要素が減少していたり、土壌の奥深くに入り込んでしまっていたりと、考えうる要因はさまざまです。

    植物は栄養不足に陥ると、成長作用に支障をきたします。ひいては、微量要素不足による収量減や目に見えない品質劣化など、植物自体に目立った症状が出ないにも関わらず隠れた飢餓が起こっている可能性もあります

    そうした事態を避けるためには、根から吸収した栄養素、葉での光合成により生成されたアミノ酸や糖を成長に繋げることが重要です。微量要素の隠れた飢餓を回避すべく、アミノ酸キレート剤の活用により微量要素をしっかりと補給することは有効な対策になります。

    微量要素の葉面からの吸収とキレート剤の役割

    植物は水分と共に栄養分を吸収しています。先にも述べたように根の吸収力は優れており、土壌中の多くの栄養素を吸収していますが、水溶性のものしか吸収できません。

    微量要素類や金属類は水に溶けるとプラスイオンとなる性質をもつため、マイナスの電荷を持つ物質と結合しやすくなります。(例:土壌中に存在するカルシウムは陽イオンの形態で存在すると、土壌中の炭酸イオンと結合して難溶性の炭酸カルシウムになる等)その結果、別の物質となってしまい、土壌では根が吸収できる水溶性の微量要素が足りない状態が頻繁に起きてしまうのです。

    また、カルシウムなど微量要素のなかでも比較的大量に必要とする栄養素は、根や根に近い下部で使用されてしまう傾向にあります。そのため、上部や葉の先端、果実など根から遠い先の部位には届かず、手前で使われてしまうことが想定されます。

    一方、液体状のキレート材により微量要素を葉面散布する場合は、より広い範囲への散布が可能であり、植物全体への微量要素の供給を期待できます。

    ただし、どんな栄養素でも吸収するわけではないのが注意点です。

    栄養素を吸収するには、大きく2つの障害があります。

    1. 葉を構成する複数の層を通過するには、分子が十分に小さい必要がある
    2. マイナスの電荷を持つ層があるため、プラスの電荷を持つ栄養素が引っかかってしまう

    葉は幾重にも層が重なっており、層によって透過率が変わります。細胞に辿り着くまでには隙間や小さなチューブを通過しなければならないため、大きいサイズの分子では通過できずに、細胞に吸収されません。したがって、細胞まで辿り着けるように、より小さい分子である必要があるのです。

    また、葉にはマイナス電荷を帯びている層が存在します。それにより、プラス電荷をもつ栄養素だとマイナス電荷に引っかかり、その先の細胞まで達するに至らずにその層に止まってしまいます。これでは葉面散布しても十分な量を吸収できるとはいえず、栄養不足の改善は期待できないでしょう。

    分子のサイズと電荷の性質、どちらの障害にも対応できるのがキレート剤です。キレート剤により栄養素を包み込むと、電荷を持たなくなります。結果、マイナス電荷の層に引っかかることもなく、より多くの栄養素が細胞へと浸透できるのです。加えて、アミノ酸キレート剤であれば他のキレート剤よりもサイズが小さいため、細胞への容易な浸透が期待できます。

    クチクラの構造

    クチクラの構造について、改めて確認しましょう。クチクラとは植物全体を覆っている外膜で、一番外側のワックス層とクチクラプロパー、さらにクチンを多く含む層とに分かれています。層の中には不浸透性の物質が存在しており、必要以上の蒸散防止や潜在的な捕食者など、外的要因から身を守る役割を担っています。ただ完全に不浸透性なわけではないため特定の物質であれば通過できますが、すべての物質が等しい透過能力をもつわけではありません。

    こちらはクチクラの断面図に構造を表した画像です。

    外側にあるワックス層の表面上は突起しており凸凹とした状態です。主に脂肪酸の派生物などから構成され、紫外線や乾燥といった環境ストレスの要因や、病原体となる微生物の侵入を防ぎ、植物自体の健康を守る役割があります。

    中間層に位置するのは、クチクラプロパーと呼ばれる層です。フェノール化合物やクチンを豊富に含んでおり、透過性があるものの、マイナスイオンに帯電しているといった特性があります。クチクラ層の最下層においては多糖類を豊富に含んでおり、クチクラプロパーと同様にクチンやフェノール化合物、ワックス結晶も同様に含んでいます。

    最下層で特徴的なのは、不透過性である点です。また、細胞壁や細胞間の水溶液がある層に密接しているため、アポプラスティックに到達可能なエクトデスマータといわれるチューブが存在しています。

    以上のクチクラの構造により、物質が浸透に成功し拡散によって細胞域に達するには「マイナス電荷に引っかからない」「エクトデスマータの直径よりも小さい」といった条件を満たす必要があります。電荷とサイズの2つの障害を超えたものだけが、植物内の組織に辿り着けるのです。

    キレート剤が通過するメカニズム

    クチクラ層の構造を確認したところで、次に、キレート剤が葉面を通じて細胞に吸収されるまでのメカニズムを解説します。

    栄養素がクチクラ層を抜けて細胞壁や細胞内に吸収されるためには、キレート剤の存在が重要です。キレート剤と結合した状態でなければクチクラ層に阻まれてしまい、細胞まで到達できる数が限られるからです。クチクラ層はマイナス電荷を帯びている層であるため、プラス電荷を帯びているとトラップに掛かったように吸い寄せられて、止まってしまいます。

    その点、キレート剤で囲まれていれば栄養素は電荷を持たない状態となるため、マイナス電荷の近くを通過しても何の影響も受けません。電荷に振り回されることなく、植物体内にある細胞へと進めます。

    キレート剤のなかでも効率よく吸収するという点においては、アミノ酸キレートが理想的です。、マイナス電荷に影響されないのはもちろん、アミノ酸キレートはキレート剤の中でもサイズが小さいため、細いエクトデスマータといわれるチューブを通過でき、葉面での栄養吸収に対して大きく寄与します。

    それではアミノ酸キレートを例にして、キレート剤が葉面より浸透するメカニズムを見ていきましょう。以下は、アミノ酸でキレートされたカルシウムが浸透していく様子を模した図です。

    茶色のワックス層の上にある青い物質は、カルシウムと結合したアミノ酸キレート剤の溶液です。クチクラ層のなかでも、ワックス層から下にある緑色の層は不透過性であり、さらにマイナス電荷が帯電しているといった特性があります。

    アミノ酸によってキレート化されたカルシウムは、アミノ酸に擬態して浸透していきます。アミノ酸はプラスに帯電していないため、マイナス電荷の不透過層に到達しても大きな影響は受けません。

    クチクラ層の最下部には、細胞への通り道となるチューブ状のエクトデスマータが存在しています。エクトデスマータのサイズは均一ではなく、大きさは多種多様です。そのため、他のキレート剤では大きさが適合せず、細い形状のチューブでは弊害となります。

    その点、アミノ酸キレートはサイズも小さいため、細いチューブでも問題なく通過可能です。ほとんどのアミノ酸は細胞壁に到達し、アポプラスティック輸送またはシンプラスティック輸送のために細胞内に取り込まれます。

    以上が、キレート剤が通過するメカニズムであり、アミノ酸キレートが理想的である理由です。キレート剤のサイズ、マイナス電荷に帯電しない点など、アミノ酸キレート剤には葉面による栄養吸収の利点が数々あるのです。

    アミノ酸キレートについての総括

    これまで4回にわたり、バイオスティミュラントの一種であるアミノ酸キレート剤の特徴と栄養吸収の関係性について、以下の内容で解説しました。

    1. アミノ酸キレートの基礎、テクノケルアミノCaBとテクノケルアミノMixの製品概要
    2. キレートの重要性とアミノ酸キレートの利点と活用
    3. キレート化のプロセス、キレート強度とキレート剤のサイズが栄養吸収に与える影響、テクノケルアミノ製品の各利点と葉面散布について
    4. 植物の栄養吸収プロセスについて

    今回の題材となったキレート剤には「電荷を帯びていない」「水溶性である」といった特徴がありました。

    さらにアミノ酸キレートならではの特徴として、次の2つが挙げられます。

    • サイズが相対的に小さいため、細いチューブでも通過可能
    • キレートの結合強度が強すぎず弱すぎず、ちょうど良い
    • 自然界に存在しているため、植物に与えても害とならない

    以上のキレート剤の特徴を踏まえて、あらためて、順を追いながらアミノ酸キレートについて振り返ってみましょう。

    Vol.1では、アミノ酸キレートの基礎、また「テクノケルアミノCaB」と「テクノケルアミノMix」の製品概要についてお伝えしました。

    アミノ酸キレート剤は、植物の栄養吸収を補助し、生理的プロセスに貢献するバイオスティミュラントです。テクノケルアミノCaBはカルシウムとホウ素、テクノケルアミノMixは微量要素の吸収を目的とするアミノ酸キレート剤として開発されました。

    テクノケルアミノCab

    テクノケルアミノCaBを使用する利点

    • カルシウムとホウ素の補給
    • 葉や果実の品質維持
    • 葉先の枯れや尻腐れなどの欠乏症対策
    • 着果率の向上
    • 収量および品質の向上

    テクノケルアミノMix

    テクノケルアミノMixを使用する利点

    • 微量要素欠乏の予防
    • 品質向上、収量増加

    そもそもキレート剤とは、そのままでは吸収されにくい栄養素や成分を、有機酸やアミノ酸によって形を変えることで植物内で吸収されやすくする成分を指します。キレートの語源はギリシャ語の「カニの爪」からきており、アミノ酸以外にも複数のキレート剤が存在しています。

    次いでVol.2では、キレートの重要性とアミノ酸との親和性を中心にお伝えしました。

    科学界では、人の手により新しい合成キレート剤の開発がおこなわれています。一方、自然界ではアミノ酸がキレート剤としての役割を担っており、さらに液状化して供給するのが効率も良く望ましいと、バレンシア工科大学のM.アンヘレス・カスティーヨ教授は述べています。

    アミノ酸はキレート剤としての素質が優れていますが、植物への安全性や周辺環境への影響という点からも、他のキレート剤よりも利点となる要素がいくつかあります。また、葉面散布に向いているのもポイントです。

    Vol.3では、キレート化のメカニズムに注目しました。アミノ酸が金属イオンをキレート化するプロセスやキレート強度とサイズの重要性をふまえ、なぜアミノ酸キレート剤が優れているのかについて、比較した数値を参考にお伝えしました。

    複数のキレート剤があるなかで、アミノ酸はキレート強度とサイズのバランスが特に優れています。キレート強度が強いと細胞が栄養素を吸収できず競合してしまい、またサイズが大きいと葉面への浸透率が低くなってしまいます。アミノ酸キレートの場合、細胞が無理なく吸収できる強度でキレートし、また葉面から細胞まで到達できるほどの小さなサイズです。そのため、Vol.2での利点も含めて、アミノ酸はキレート剤としての役割を担ううえで大きなアドバンテージがあると言えます。

    テクノケルアミノCaBとテクノケルアミノMixの利点として、葉面散布によって素早く栄養素を補給できるという点が挙げられます。テクノケルアミノCaBは細胞壁の構成要素であるカルシウムとホウ素の素早い補給により、特にカルシウム欠乏症に対して高い効果を発揮します。

    また、植物が成長する際には多量のカルシウムを必要としますが、不足すると葉の変色や変形、果実の裂果といったカルシウム欠乏の症状が現れます。その際に活躍するのが、テクノケルアミノCaBです。カルシウム補給の即戦力として効率よく浸透し、症状を緩和し健康状態を改善します。

    テクノケルアミノMixは、植物の成長に必要不可欠なアミノ酸と微量要素の供給を目的とする製品です。微量要素の不足は目では確認できないため、定期的な葉面散布で効果的に補給することにより、潜在的な飢餓状態を防ぎます。土壌からの栄養素吸収の場合、栄養素どうしの相互作用により必要量を補給できないこともあるため、葉面散布は効果的です。

    最後に今回のVol.4では、植物の栄養吸収のプロセスをお伝えしました。

    葉はクチクラ層で覆われており不透過性の性質がありますが、アミノ酸キレート剤であればクチクラ層も通過でき、細胞まで到達可能です。

    植物の必須栄養素のうち酸素と水素は土壌から吸収され、また炭素は光合成によって細胞から吸収され成長のエネルギー源となります。他に必要な栄養素は根によって選択的に取り込まれ、成長プロセスに役立てられています。

    アミノ酸キレートについての解説は以上となります。次回からは、植物の細胞を構成する微量要素についてお伝えします。

    特に植物成長におけるカルシウムとホウ素の重要性を深く掘り下げ、各栄養素の不足が植物に与える影響とその解決策について解説していきます。これまでにご紹介したテクノケルアミノCaBとテクノケルアミノMixに関する情報としても有益ですので、ぜひ引き続きご覧ください。

     

     

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