植物のミカタ

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ドラッグストアでイボ取り薬の有効成分がサリチル酸であることに気づき、植物ホルモンとしても知られるサリチル酸の作用機序に興味を持った筆者は、その角質軟化作用について調べた。サリチル酸は角質細胞間のタンパク質を分解し、水分の浸透を促すことで角質を剥がれやすくする。 この強い反応性を持つサリチル酸を植物がどのように利用しているのか疑問に思い、その歴史を調べると、ヤナギ樹皮から抽出されたサリシンを加水分解・酸化することで得られることがわかった。植物は、反応性の高いサリチル酸を配糖体などの形で扱いやすくしていると考えられる。

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小学生の息子がスライム作りに使うホウ砂について調べている。ホウ砂(Na₂[B₄O₅(OH)₄]·8H₂O)は水に溶けると四ホウ酸イオン(B₄O₇²⁻)を生じ、これが加水分解してホウ酸(H₃BO₃)になる。更にホウ酸は水と反応し、B(OH)₄⁻と平衡状態になる。水溶液はOH⁻の生成によりアルカリ性になる。スライム作りにおいて重要なのは四ホウ酸イオンの加水分解だが、詳細は後述。

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土壌の保水性向上に関し、植物繊維セルロースの分子間架橋に着目。人工的な架橋剤ではなく、自然環境下で架橋を形成する物質について調査した。綿織物への有機酸処理で伸長回復性が変化する事例から、クエン酸などの多価カルボン酸がセルロースとエステル架橋を形成する可能性が示唆された。多価カルボン酸は複数のカルボキシ基を持ち、セルロースの水酸基とエステル化反応を起こす。この反応は土壌中でも起こりうるため、保水性向上に寄与している可能性がある。

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土壌の重要な構成要素であるリグニンは、ベンゼン環を持つモノリグノール（p-クマリルアルコール、コニフェリルアルコール、シナピルアルコール）と、イネ科植物特有のO-メチル化フラボノイドであるトリシンが結合した複雑な高分子化合物である。一見複雑な構造だが、これらの構成要素の合成経路や重合方法を理解することで、土壌の理解を深めることができる。リグニンは木の幹の主要成分であり、その構造は一見複雑だが、基本構成要素を理解することで土壌への理解を深める鍵となる。

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ゲラニインは加水分解型タンニンの一種で、複雑な構造を持つ。中心にはグルコース（ブドウ糖）があり、その各炭素に没食子酸が結合している。さらに、没食子酸同士も結合している。一見複雑だが、基本構造はグルコースと没食子酸の組み合わせである。より詳細な情報は「化学と生物 Vol. 60, No. 10, 2022」に記載されているが、本記事ではこの概要説明にとどめる。

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この記事では、土壌成分であるタンニンの前駆体であるフラボノイドの生合成経路について解説しています。まず、フラボノイドの基本骨格と、芳香族アミノ酸からの生合成経路について概説します。次に、チロシンからp-クマル酸を経て、重要な中間体であるp-クマロイルCoAが生成される過程を詳しく説明します。p-クマロイルCoAはフラボノイドだけでなく、リグニンの合成にも関与する重要な化合物です。

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記事は、腸内細菌によってチロシンからフェノールが生成される過程を解説しています。一部の腸内細菌はチロシンフェノールリアーゼという酵素を用いて、チロシンをピルビン酸、アンモニア、フェノールに分解します。この過程で神経伝達物質L-ドパも合成されます。しかし、フェノールは毒性が強いため、生成後の反応が滞ると腸内に蓄積する可能性があり、健康への影響が懸念されます。 記事では、野菜などに多く付着する腸内細菌の一種であるErwinia herbicolaを例に挙げ、この反応を示す細菌の存在について解説しています。

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魚粉肥料は動物性タンパク質のイメージが強いですが、骨なども含まれるためリン酸も多く含みます。イワシの栄養価をみても、リン酸はカルシウムより多く含まれており、これはリン酸が骨の成分であるリン酸カルシウムだけでなく、DNAなどの核酸にも含まれているためです。窒素肥料と同様、リン酸肥料も植物体内の様々な成分に関与するため、過剰な施肥は生育バランスを崩し、病害虫のリスクを高める可能性があります。土壌分析に基づいた適切な施肥が重要です。

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この記事では、青酸（シアン化水素）の毒性について解説しています。シアン化合物は反応性が高く、呼吸に必要なヘム鉄と結合し、エネルギー産生を阻害することで毒性を発揮します。 具体的には、シアン化合物はヘム鉄内の鉄イオンに結合し、酸素との結合を阻害します。結果として、細胞は酸素を利用したエネルギー産生ができなくなり、窒息と似た状態に陥ります。 ただし、少量のシアン化水素は体内で分解され、蟻酸とアンモニアになるため、直ちに危険というわけではありません。未熟なウメなど、シアン化合物を含む食品は、適切に処理することで安全に摂取できます。

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フィチン酸は、活性酸素そのものを除去するのではなく、活性酸素を発生させるヒドロキシラジカルの生成を抑えることで抗酸化作用を示します。 具体的には、フィチン酸が金属イオンとキレート結合することで、ヒドロキシラジカルの生成原因となるフェントン反応を抑制します。土壌中では、微生物によってフィチン酸から金属イオンが遊離することで、活性酸素が発生し、腐植の形成に寄与すると考えられます。

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土壌中の難分解性有機態リン酸であるフィチン酸が過剰に蓄積すると、植物はリン酸を吸収しにくくなる問題がある。解決策として、フィチン酸を分解するコウジカビなどの微生物の働きを活性化させる方法が有効だ。具体的には、腐植質を投入して土壌環境を改善し、ヒマワリなどの緑肥を栽培する。さらに、米ぬかなどのリン酸豊富な有機物施用時は、無機リン酸の施用を控えるべきである。

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コミカンソウは、砂利の隙間にも生える強い草です。一見、ただの雑草に見えますが、実はポリフェノールの一種であるカテキン類やタンニンを多く含むことが分かりました。これらの物質は、抗酸化作用があり、健康に良い効果をもたらす可能性があります。コミカンソウは、未利用植物であるため、今後の研究次第では、健康食品や医薬品への応用が期待されます。

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## マルチ栽培とESG：ポリ乳酸マルチの分解と課題 農業でよく使われるマルチシート。近年、環境負荷の少ない生分解性プラスチック製のポリ乳酸マルチが注目されています。ポリ乳酸は微生物によって分解されますが、土壌中では分解速度が遅いため、使用後は高温で分解処理する必要があります。 記事では、ポリ乳酸の分解メカニズムと、乳酸の抗菌作用が分解に与える影響について解説しています。ポリ乳酸は高温・高アルカリ条件下で低分子化し、微生物によって分解されます。乳酸の抗菌作用は分解を阻害する可能性がありますが、高pH条件下ではその影響は軽減されます。 ポリ乳酸マルチは環境負荷低減に貢献する一方、適切な処理が必要となる点は留意が必要です。

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ブナシメジの廃菌床の活用法に着目した記事。ブナシメジは抗菌作用のある揮発性物質VAを生成し、特にキャベツの黒すす病菌に有効。廃菌床にもVAが含まれる可能性が高く、大量廃棄されている現状は資源の無駄。白色腐朽菌であるブナシメジの廃菌床はリグニン分解済みで、水田への施用によるレンゲ栽培や米の品質向上、ひいては二酸化炭素排出削減、農薬使用量削減にも貢献する可能性を提示。休眠胞子が大半を占める廃菌床は、作物への悪影響がない限り積極的に活用すべきと結論づけている。

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葛餅の原料である葛粉は、マメ科クズの根から作られ、漢方薬の葛根湯にも使われる。マメ科植物なのでイソフラボンを含み、クズの場合はプエラリンというイソフラボンが注目される。プエラリンは腸内細菌によってダイゼインを経てエクオールに変換される。エクオールは乳がんや前立腺がんの予防に関与する可能性が示唆されている。マメ科植物の根や実にイソフラボンが多いのは、根粒菌との共生関係を築くためと考えられる。

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過酸化水素は好中球が体内に侵入した細菌類を殺菌する際に、活性酸素の一種として生成されます。好中球は細菌を認識し、取り込み、活性酸素、過酸化水素、次亜塩素酸、加水分解酵素などを用いて殺菌します。殺菌後の好中球は死亡し、膿となります。活性酸素の過剰発生はウイルス感染後の重症化に繋がるため、好中球の働きと食生活による免疫向上には関連性がありそうです。

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ハチミツの美味しさを探るには、ショ糖をブドウ糖と果糖に加水分解する酵素「インベルターゼ」が重要。ミツバチは花蜜のショ糖をインベルターゼで単糖に変換し貯蔵する。これにより糖濃度が上昇し、ジャムのように腐敗を防ぐ効果があると考えられる。しかし、ハチミツの糖組成はブドウ糖より果糖が多い。ショ糖の加水分解では等量のブドウ糖と果糖が生じるはずだが、果糖が多い理由は何か。ブドウ糖の消費、蜜源植物の種類などが影響している可能性があり、更なる探求が必要である。

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本論文は、糖の化学を直感的に理解できるよう解説している。環状構造の糖は、酸素を含む環の大きさ（五員環か六員環か）と、特定の炭素原子に結合したヒドロキシ基の向き（上か下か）で区別されることを図解で示す。複数の糖がグリコシド結合でつながる糖鎖についても、結合の種類（αかβか）と結合位置を番号で示す方法を説明し、アミロース、セルロース、グリコーゲンなど具体的な糖鎖の構造と性質を解説することで、暗記に頼らず理解できるよう工夫している。また、糖鎖の機能の多様性についても触れ、生命現象における重要性を示唆している。

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この記事では、野菜のおいしさについて、筆者の師匠が育てたゴボウを例に考察しています。師のゴボウは太く、味だけでなく香りも素晴らしかったとのこと。ゴボウの旨味成分としてグルタミン酸が挙げられますが、それ以外にクロロゲン酸とイヌリンの存在が重要だと指摘します。クロロゲン酸はポリフェノールの一種で、少量であれば甘味や酸味を感じさせ、味覚を修飾する効果があります。イヌリンは水溶性食物繊維で、加水分解されるとオリゴ糖になり、ゴボウの甘味を増します。また、整腸作用も持つとされています。長期冷蔵によってイヌリンが糖化し甘味が増したゴボウに、クロロゲン酸の味覚修飾効果とグルタミン酸の旨味が加わり、独特の風味とコクが生まれると結論づけています。さらに、優れた栽培者のゴボウは香りも優れていることを指摘し、おいしさの多様性を示唆しています。

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鶏肉や魚粉に含まれる旨味成分、イノシン酸の関連物質であるイノシンが植物の発根を促進する。農研機構の研究で、イノシンが水耕栽培で根の発育を促すことが示された。イノシンはアミノ酸製造の副産物であり、黒糖肥料に多く含まれる可能性がある。発根促進は微量要素の吸収を高め、品質向上に繋がる。土壌劣化を回避し、微量要素が吸収しやすい環境を維持することが重要となる。アミノ酸廃液由来の発根促進剤も市販されている。発根促進でカリウム欠乏も軽減できるため、黒糖肥料は発根に有効。

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施肥設計の見直しで農薬防除の回数を減らせるという記事は、窒素過多による作物の徒長が病害虫発生の主要因であると指摘しています。窒素過多は細胞壁を薄くし、害虫の侵入を容易にする上、アミノ酸合成に偏り、病害虫抵抗性物質の生成を阻害します。適切なカリウム、カルシウム、マグネシウムなどの施肥は細胞壁を強化し、病害虫への抵抗力を高めます。また、微量要素の不足も抵抗力低下につながるため、土壌分析に基づいたバランスの取れた施肥設計が重要です。これにより、作物の健全な生育を促進し、農薬への依存度を減らすことが可能になります。

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植物はサリチル酸(SA)というホルモンで病原体への防御機構を活性化します。SAは病原体感染部位で生合成され、全身へシグナルを送り、抵抗性を誘導します。この抵抗性誘導は、病原関連タンパク質(PRタンパク質)の蓄積を促し、病原体の増殖を抑制します。PRタンパク質には、病原体の細胞壁を分解する酵素や、病原体の増殖を阻害する物質などが含まれます。SAは、植物免疫において重要な役割を果たす防御ホルモンです。プロベナゾールはSAの蓄積を促進し、植物の防御反応を高めます。

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植物は、病原菌などから身を守るため、サリチル酸とジャスモン酸という2つのホルモンを使い分けています。サリチル酸は、主に細菌やウイルスなどの病原体に対する防御に関与し、PRタンパク質などの抗菌物質の産生を促します。一方、ジャスモン酸は、昆虫の食害や細胞傷害などに対する防御に関与し、プロテアーゼインヒビターなどを産生して防御します。これらのホルモンは、それぞれ異なる防御機構を活性化しますが、互いに拮抗作用を持つため、バランスが重要です。つまり、サリチル酸系の防御機構が活性化すると、ジャスモン酸系の防御機構が抑制されるといった具合です。そのため、特定の病害対策として一方のホルモンを活性化させると、他の病害に対して脆弱になる可能性があるため、注意が必要です。

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植物ホルモン、オーキシン(IAA)はトリプトファンから合成され、その量の調節にはアミノ酸が関わる。IAAはアスパラギン酸、グルタミン酸、アラニン、ロイシンなどのアミノ酸と結合し、不活性化される。この「結合型IAA」はオーキシンの貯蔵形態と考えられ、必要に応じて加水分解され再び活性型IAAとなる。アセチル化もオーキシンの活性に影響する。つまり、アミノ酸はオーキシンと結合することでその作用を抑制し、植物におけるオーキシン活性を調節する役割を担っている。

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アミノ酸液肥には動物性と植物性があり、それぞれゼラチン、サトウキビ（黒糖肥料）由来である。ゼラチン由来の動物性肥料はアミノ酸含有量が80%以上と高く、炭水化物はほぼない。一方、黒糖肥料由来の植物性肥料はアミノ酸含有量は少ないが、カロリーとミネラルが豊富。特にカリウム含有量は高く、根張りに効果的。つまり、動物性肥料はアミノ酸を直接供給したい場合に、植物性肥料はアミノ酸に加え、カロリーとミネラルも補給したい場合に適している。植物性肥料は根張りを意識した施肥が効果的。

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お菓子の袋の乾燥剤、シリカゲル(SiO₂・nH₂O)の吸水性の秘密を探る。シリカゲルはメタケイ酸ナトリウムの加水分解で生成され、二酸化ケイ素の微粒子が網目状の微細な孔を形成し、そこに水蒸気を吸着する。吸着には化学的吸着と物理的吸着があり、化学的吸着はシラノール基(-Si-OH)が水を静電気的に吸着する。珪藻土も同様の構造で吸水性を持ち、建材にも利用される。石英にも同様の性質があるか疑問が残る。

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クエン酸は植物の根から分泌されるだけでなく、コウジカビもグルコース分解の過程で生成する。米ぬかボカシ肥作りと同様に、廃菌床とく溶性苦土を混ぜると、廃菌床内の発酵過程で生成されたクエン酸がく溶性苦土を水溶化する可能性がある。キノコはリグニン分解時にクエン酸を生成し、培地内の炭酸塩を溶かしてミネラルを取得。余ったミネラルは培地のCECが捕捉し、生態系が上手く機能している。

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タンパク質はアミノ酸がペプチド結合で連なったもので、ペプチド結合はアミノ酸のアミノ基とカルボキシル基が脱水縮合することで形成される。この結合は加水分解で切断できる。しかし、蕎麦アレルゲンFag e 2は酵素分解されにくい。これはペプチド結合以外の結合、例えばジスルフィド結合などがタンパク質の構造を安定化させているためと考えられる。ジスルフィド結合の理解は、蕎麦殻の有効活用につながる可能性がある。

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石灰窒素(CaCN₂)は、土壌消毒と肥料効果を兼ね備えた資材。水と二酸化炭素と反応し、土壌pH調整効果のある炭酸カルシウムと、センチュウなどへの毒性を持つシアナミド(CN₂H₂)を生成する。シアナミドは植物に有害だが、やがて尿素、アンモニア、硝酸と変化し、無害な速効性肥料となる。つまり、石灰窒素は一時的な土壌消毒効果と、その後の肥料効果を持つ。このシアナミドの性質は、連作障害対策において重要な役割を果たす。

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キノコは成長過程で、キチナーゼなどの酵素で自身の細胞壁を分解・再構成する。この仕組みは、カニ殻を土壌改良材として使うのと同様に、キノコが生えた場所でもキチン分解効果が期待できることを示唆する。特にシイタケは子実体形成期と収穫後にキチン分解酵素の活性を高める。このことから、キノコが生えた木材を農業資材として活用すれば、カビ病対策に繋がり、農薬使用量削減の可能性も考えられる。しかし、シイタケに含まれる免疫活性物質レンチナンは、収穫後の自己消化で急速に減少するため、天日干しによる効果は限定的である。

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米ぬかボカシを作る際、嫌気発酵が必須であり、密封と適切な水分量が重要です。水分過多だとタンパク質が分解されアンモニアが発生し、有機酸の利点を損ないます。また、密封が不完全だと酸素が入り込み、好気分解により水が生成され、これもアンモニア発生につながります。成功すれば有機酸が豊富になり甘い香りがしますが、失敗するとアンモニア臭が強くなります。適切な水分量と密封により、ピルビン酸や乳酸などの有機酸が豊富に含まれた良質なボカシ肥料を作ることができます。

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米ぬかボカシを作る際、好気発酵と嫌気発酵どちらが良いかという議論があるが、ボカシの特質上、嫌気発酵が適している。ボカシはデンプンを多く含む米ぬかを使用するため、そのまま施肥すると土壌でカビが発生し窒素飢餓を引き起こす。そこで、デンプンを植物が利用しやすい形に変換する必要がある。デンプンは加水分解によりブドウ糖に分解されるが、この反応は好気・嫌気どちらでも起こる。重要なのはブドウ糖の分解過程で、好気条件下では水と二酸化炭素に分解されてしまい肥料としての価値が失われる。一方、嫌気条件下では有機酸に変換され、窒素飢餓を防ぎ、土壌にも有益な効果をもたらす。そのため、米ぬかボカシ作りには嫌気発酵が最適と言える。

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硫酸アンモニウムが生理的酸性肥料である理由は、アンモニウムイオンの植物吸収と土壌反応にある。アンモニウムイオン(NH₄⁺)が植物に吸収されると、残った硫酸イオン(SO₄²⁻)が土壌中で反応し、水素イオンを放出することで土壌を酸性化させる。一方で、アンモニウムイオンは土壌のCECにも吸着し、その際に水素イオンを遊離させることで酸性化に寄与する可能性も示唆されている。単純な強酸と弱塩基の塩だから酸性という説明だけでなく、植物の吸収と土壌反応、CECとの相互作用も土壌酸性化に関わっている。

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硫安は水溶性のため即効性があるが、尿素は有機化合物のため土壌中のウレアーゼによる分解が必要で、肥効発現まで時間を要する。硫安は水に溶けると即イオン化するのに対し、尿素は酵素反応を経てアンモニアを生成し、アンモニウムイオンとなる。土壌の状態により分解速度は変わるが、尿素の肥効は硫安より遅い。ただし、尿素のモル質量は硫安の約半分なので、施肥量は半分で済む。