バイオ燃料を作るスイッチグラスの可能性を広げる新発見

手がかりは根にあり、デンプンを蓄える根茎が光合成の速度を制御しているというのが研究者の見解です。

文：Emma Bryce
2023年3月10日

研究者らはスイッチグラスからより多くのバイオ燃料を作るための重要な手がかりを発見しました。これはスイッチグラスのバイオマス量を（推測上）50％以上増加でき、化石燃料からの脱却を加速させる重要な発見です。

スイッチグラスは、トウモロコシを原料とするバイオ燃料の5倍のエネルギーを生産できることから、世界的に最も重要なエタノール・バイオ燃料作物の1つになりつつあります。しかし、ミシガン州立大学の研究者らは、夏になると光合成を停止するというスイッチグラスの特異な習性の背後にあるものを解明できれば、さらに大きな成果を上げることができると考えています。

この植物はバイオマスを増やし、より強く、より大きな植物を作ることができるのにも関わらず、毎年、生育期の中盤から後半にかけて光合成をしていません。その鍵は、絡み合った根のネットワークにあると、研究者らは考えています。

多くのイネ科植物と同様、スイッチグラスの根には根茎があり、植物の光合成で作られた糖分から作られるエネルギー豊富なデンプンを蓄積する小さなカプセルがあります。この根茎は、イネ科植物が悪天候に見舞われたときに生き残るための緊急用の地下食料庫のような役割を果たします。しかし、研究者らは、それ以外の点ではイネ科植物を制限している可能性があると考えています。

その可能性を確かめるため、研究チームは2020年のアメリカ・ミシガン州でのスイッチグラスの生育期間中に一連の実験を実施しました。この実験では、自然に雨が降るスイッチグラスの区画と、雨を遮断して栽培した区画が比較されました。この比較は、降水量が多いほどCO2同化率（光合成の指標）が高くなり、逆に干ばつ状態ではCO2吸収率が通常低下することから、重要な意味を持ちます。

研究チームはこの2つの作物について、植物組織の分析も実施しました。

まず、露地栽培の作物では、乾燥が進むとCO2吸収量が低下する一方で、光合成が活発でなくなった後の生育期後半に突然大雨が降っても、初夏の水準に回復しないことが分かりました。つまり、光合成の低下は、スイッチグラスに降った雨の量以外の何かで説明する必要があるのです。

組織分析から、その手がかりが見えてきました。植物の光合成が減少しているのと同じように、根茎のデンプン量が増加している証拠を発見したのです。実際、生育期の中盤から後半にかけて光合成が50％低下すると、根茎のデンプンが4倍増加していたのです。

根茎のデンプン量は光合成の低下と逆相関しているようです。この現象の正確なメカニズムはまだわかっていませんが、研究者らは光合成が活発になる夏の早い時期に、根茎に炭水化物が急速に蓄積されるのではないかという仮説を立てています。しかし、根茎のスペースは限られているため、根茎がいっぱいになると、植物の生産に制約を与えることになります。根茎がいっぱいになると、スイッチグラスが作った糖分の置き場所がないことを知らせるために、光合成のスイッチが入り、プロセスが停止してしまうようです。

これは、バイオマスに転換できるはずの数週間の日照を、植物が逃してしまうことを意味します。これは取るに足らない量ではありません。研究者らは多くの複雑な要因を踏まえ、暫定的に試算しました。光合成の低下によって失われる炭素蓄積量の50％は、スイッチグラスの1ヘクタールあたり約1.2トンの余剰バイオマスに相当します。このバイオマスの生産量を増やすことができれば、バイオ燃料の生産量に大きな変化をもたらす可能性があります。

そこで、研究者らは次の課題に取り組んでいます。光合成のゲートキーパーとなりうる根茎を特定したことで、少なくともスイッチグラスの生産量減少の謎を解くための出発点ができたと、研究者らは述べています。

「これで、育種による解決策を探し始めることができる。光合成に貪欲な植物を探し始めることができる」と研究者らは言っています。

出典：Tejera-Nieves et. al. “Seasonal decline in leaf photosynthesis in perennial switchgrass explained by sink limitations and water deficit.” Frontiers in Plant Science. 2023.