植物のミカタ

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本記事では、肥料分野で注目されるポリフェノールのキレート結合について深掘りします。過去に解説したクエン酸のキレート結合を踏まえ、ポリフェノールがどのように鉄などの金属イオンと結びつくのかを化学的に詳述。ポリフェノールのベンゼン環に位置する2つのヒドロキシ基が、その酸素原子の非共有電子対を用いて金属を挟み込むメカニズムを図を交えて解説します。ポリフェノールと鉄を用いた土壌消毒など、栽培における具体的な活用事例にも触れ、キレート結合の原理と応用への理解を深める内容です。

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ポリフェノールは腸内細菌叢で代謝され、最終的に単純な有機酸となる。ケルセチンを例に挙げると、フロログルシノールと3-(3,4-ヒドロキシフェニル)-プロピオン酸に分解され、それぞれ酪酸・酢酸と4-ヒドロキシ馬尿酸へと変化する。4-ヒドロキシ馬尿酸生成過程ではアミノ酸抱合が関わっていると考えられる。この代謝経路は土壌中での分解と類似すると推測される。ポリフェノール豊富な飼料を家畜に与えると糞中ポリフェノールは減少し、土壌改良効果も低下するため、ポリフェノールを含む食品残渣は直接堆肥化するのが望ましい。

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ポリフェノールと生体内分子の弱い化学結合に着目し、水素結合、配位結合に加え、π-π相互作用、CH-π相互作用、カチオン-π相互作用などを紹介。ベンゼン環の重なり合いによるπ-π相互作用は腐植物質形成の重要な要素と考えられ、土壌の保水性や保肥力にも関わると推測される。これらの相互作用は腐植物質の立体構造形成に寄与し、有機物の理解を深める上で重要である。

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ポリフェノールの科学(朝倉書店)を購入し、値段分の価値があると実感。健康機能中心の目次で躊躇していたが、ポリフェノールと生体内分子の相互作用に関する詳細な記述が有益だった。特に、ポリフェノールの酸化的変換とアミノ酸との共有結合反応は、土壌中の腐植物質形成の初期段階を理解する上で重要。キノン体がアミノ酸と反応し架橋構造やシッフ塩基を形成する過程は、土中でもペプチド等が存在すれば起こり得る。この反応によりポリフェノールはカルボキシ基を得て、腐植酸としての性質を獲得する。この知見は、栽培における土壌理解を深める上で非常に役立つ。

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除草剤の中には、植物のBCAA合成を阻害するものがあります。特に、ALS（アセト乳酸合成酵素）阻害剤は、BCAA合成の初期段階を阻害することで、イソロイシン、ロイシン、バリンの生成を妨げます。ダイズ栽培では、ALS阻害剤耐性遺伝子組み換えダイズが存在することから、実際にALS阻害剤が使用されている可能性があります。しかし、実際の使用状況については更なる調査が必要です。

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森林生態系の物質循環、特に窒素とリン酸の循環に焦点を当てた解説。森林の生産性は水や窒素の循環に影響され、窒素は降雨や落葉、窒素固定によって供給される一方、脱窒やアンモニア揮発、渓流水で流出する。窒素は植物体内や森林全体で再利用性が高い。リン酸も重要で、再利用性が高く、母岩からの溶出が供給源となる。窒素は肥料木や動物の活動で森林に蓄積され、リン酸は母岩由来の供給が大きい。全体として、森林生態系における窒素とリン酸の循環の複雑さと重要性を示唆している。

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陰樹の耐陰性は、暗い林床でも生存できる能力を指す。陰樹の葉は陽樹に比べ薄く、構成する層も少ないため、維持コストが低い。これは光合成量が限られる環境では有利となる。また、呼吸量が少ないことも、ネズミによる食害リスクを減らす点で生存に寄与する。陰樹の中でも、ツブラジイはスダジイより耐陰性が高い。葉の厚さや呼吸量の差に加え、クチクラ層による遮光なども耐陰性に関係する。これらの要素が、成長は遅いが長期間生存できる陰樹の特性を支えている。

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葉色が濃いイネはいもち病に罹りやすいとされる。いもち病はカビが原因で、低温多湿で多発。菌は付着器でメラニンを蓄え、物理的にイネに侵入する。物理的侵入にもかかわらず、なぜ葉色が濃いと罹患しやすいのかという疑問に対し、葉の柔らかさやシリカ吸収の関連性を考察している。

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この文章では、カロテノイド生合成が阻害された場合の植物への影響と、そのメカニズムを利用した除草剤について解説しています。 カロテノイド生合成の阻害剤である除草剤ノルフルラゾンは、フィトエン不飽和化酵素(PDS)を阻害し、フィトエン以降のカロテノイド合成を停止させます。カロテノイドは、フィトエンからリコペンなどを経て合成される一連の色素で、光合成で発生する活性酸素の除去に不可欠です。合成が阻害されると、活性酸素が蓄積して葉緑体が崩壊し、葉が白化して生育が停止します。このことから、植物の光合成にとってカロテノイドの完全な合成がいかに重要であるかがわかります。

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レンゲ米の質向上には、レンゲの生育環境改善が鍵となる。レンゲの旺盛な発根を促し、根圏微生物の活動を活発化させることで、土壌の団粒構造が形成され、難吸収性養分の吸収効率が高まる。 具体的には、稲刈り後の水田の土壌を耕し、粘土質土壌をベントナイト等の粘土鉱物や粗めの有機物で改良することで、レンゲの根張りを良くする。さらに、レンゲ生育中に必要な金属成分を含む追肥を行うことで、フラボノイドの合成を促進し、根粒菌との共生関係を強化する。 つまり、レンゲ栽培前の土壌改良と適切な追肥が、レンゲの生育を促進し、ひいては次作の稲の品質向上、ひいては美味しいレンゲ米に繋がる。緑肥の効果を高めるためには、次作で使用する土壌改良資材を前倒しで緑肥栽培時に使用することも有効である。

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緑茶に含まれるカテキンは、インフルエンザなどのウイルスに吸着し感染を予防する効果がある。ウイルスは非生物で、宿主細胞の器官を乗っ取って増殖する。宿主細胞表面の糖鎖をウイルスが認識することで感染が成立する。カテキンはウイルスのスパイクタンパクを封じ、この認識プロセスを阻害すると考えられる。しかし、カテキンは体内に留まる時間が短いため、日常的に緑茶を摂取する必要がある。緑茶の甘みが少ない、苦味と渋みのバランスが良いものが効果的と考えられる。ウイルスは自己増殖できないため、特効薬がない。mRNAワクチンは、体内で無毒なスパイクタンパクを生成させ、抗体生成を誘導する新しいアプローチである。

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植物における糖の機能の一つとして、解毒物質の供給がある。動物ではグルクロン酸が毒物と結合し排出されるグルクロン酸抱合が知られる。植物でもグルクロン酸はビタミンC（アスコルビン酸）の合成経路であるD-グルクロン酸経路の中間体となる。アスコルビン酸は抗酸化作用を持つため、間接的に解毒に関与していると言える。また、植物はD-ガラクツロン酸経路、D-マンノース/L-ガラクトース経路でもアスコルビン酸を合成する。糖はエネルギー源以外にも様々な機能を持ち、植物の生産性や病害虫耐性にも関わる可能性がある。

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ニンニクを食べると元気になるのは、ニンニクの匂い成分アリシンとビタミンB1が関係している。ビタミンB1は糖代謝に必須だが水溶性のため体内に留まりにくい。しかし、アリシンと反応するとアリチアミンという脂溶性の物質に変わり、体内に長く留まることができる。結果として糖代謝が促進され、元気になるという仕組み。アリシンは本来、ニンニクの自己防衛物質だが、人間にとってはビタミンB1の効果を高める役割を果たす点が興味深い。

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ペクチンは植物の細胞壁や細胞間層に存在する多糖類で、主要構成成分はガラクツロン酸である。ガラクツロン酸はグルコースからUDP-糖代謝を経て合成されるガラクトースが酸化されたもの。つまり、ペクチンの材料は光合成産物であるグルコースを起点としている。ガラクトース自体は主要な炭素源である一方、細胞伸長阻害等の有害性も持つため、植物は単糖再利用経路でリサイクルまたは代謝する。ペクチン合成にはマンガンクラスターによる光合成の明反応が重要だが、家畜糞の連続使用はマンガン欠乏を招き、光合成を阻害する可能性がある。つまり、健全な土壌作り、ひいては良好な植物生育のためには、マンガン供給にも配慮が必要となる。

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土壌改良剤の効果を検証するため、腐植酸、ベントナイト、ゼオライト、モンモリロナイトを含む4種類の土壌改良剤と、対照群として石灰と堆肥を用いて実験を行った。結果、カルシウム添加による団粒構造形成促進効果は堆肥で顕著に見られ、土壌改良剤の効果は限定的だった。特に、ベントナイトは水分含有量が多く、ゼオライトは団粒形成にほとんど寄与しなかった。モンモリロナイトは若干の改善が見られたものの、腐植酸は効果が不明瞭だった。このことから、団粒構造形成にはカルシウムだけでなく、有機物との相互作用が重要であることが示唆された。

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マルチムギは、土壌の団粒化を促進し、排水性と通気性を向上させる効果を持つ緑肥。劣化した圃場でも旺盛に生育し、土壌改良に役立つ。筆者は、マルチムギを播種した区画と播種していない区画で比較試験を実施。マルチムギを播種した区画では、播種していない区画に比べ、土壌硬度が低く、透水性が高いという結果が得られた。これは、マルチムギの根が土壌をほぐし、団粒化を促進したためと考えられる。マルチムギは、耕作放棄地など、劣化した土壌の改良に有効な緑肥と言える。

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粘土鉱物を肥料として活用する目的は腐植蓄積だが、粘土鉱物と腐植の繋がりは疑問が残る。2:1型粘土鉱物は正電荷が少ないため、有機物とのイオン結合による蓄積モデルでは説明が不十分。しかし、現実には2:1型粘土鉱物投入で土壌改良効果が見られる。これはAl由来の正電荷以外の結合機構を示唆する。ヒントとして、カオリン鉱物と酢酸カリウムの水素結合、スメクタイトとアルキルアンモニウムの正電荷による結合が挙げられる。腐植蓄積にはこれら以外のメカニズムが関与していると考えられ、特定の肥料と現象がその鍵を握る可能性がある。

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緑泥石は2:1:1型粘土鉱物で、風化によって層間に金属水酸化物イオン等を取り込んだ14Å中間体を形成する。14Å中間体はバーミキュライトと緑泥石の中間的性質を示し、クエン酸処理で層間物質を除去するとスメクタイト様の性質を示す。これは植物根から分泌される有機酸が緑泥石に作用し、スメクタイト様の粘土鉱物へと変化させる可能性を示唆する。つまり、CECの低い緑泥石が風化と植物の作用によってCECの高いスメクタイト様の性質を獲得する可能性がある。このことから、緑色岩露頭下に有機物豊富な黒土が形成される現象も説明できる。緑泥石の風化と植物による変化を理解することは土壌の理解を深める上で重要である。

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この記事では、緑泥石という粘土鉱物について解説しています。緑泥石はグリーンタフ（緑色凝灰岩）、緑色片岩、緑色岩などに見られる鉱物で、2:1:1型粘土鉱物に分類されます。一般的な2:1型粘土鉱物（スメクタイト、バーミキュライトなど）はCEC（陽イオン交換容量）が高い一方、緑泥石はCECが非常に低いのが特徴です。これは、2:1型構造の層間水があるべき場所に、緑泥石では八面体が挿入されているため、膨潤性が弱くCECも低いと説明されています。記事では粘土鉱物の基本構造（SiO四面体、Al八面体）や1:1型、2:1型構造についても触れ、緑泥石の構造を図解して分かりやすく解説しています。最後に、緑泥石の興味深い知見については次回に持ち越しとしています。

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海底風化は、海水や底生生物の作用で海底の岩石や堆積物が変化する現象です。この過程で、粘土鉱物は海水中からカリウムやマグネシウムを取り込み、硫酸イオンも貯め込みます。海底で形成された粘土が隆起すると、硫化鉄が反応して酸性を示すようになり、粘土層が土化した際にミネラルが少なくなる可能性があります。この情報は、粘土鉱物系の肥料の性質を理解する上で重要です。

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粘土鉱物は、岩石の風化によって生成される微粒で層状の珪酸塩鉱物です。風化には、物理的な破砕と、水や酸との化学反応による変質があります。カリ長石がカオリンに変化する過程は、化学的風化の例です。鉱物の風化しやすさは種類によって異なり、一般的に塩基性の強い火山岩ほど風化しやすいです。同じ珪酸含有量でも、急速に冷えて固まった火山岩は、深成岩より風化しやすい石基を多く含みます。そのため、玄武岩のような火山岩は斑れい岩のような深成岩よりも風化しやすく、結果として異なる種類の粘土鉱物が生成されます。

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石灰岩は炭酸カルシウムを主成分とする堆積岩で、その成り立ちは遠い海と深く関わっている。陸から運ばれた堆積物が続成作用で固まる過程で、石灰岩も形成されるが、主成分である炭酸カルシウムの由来は陸起源ではない。実は、サンゴなどの生物の遺骸が遠方の海で堆積し、長い年月をかけて地殻変動により陸地へと現れることで、石灰岩が形成される。つまり、現在の日本の石灰岩は、かつてハワイのような温暖な海で形成されたサンゴ礁の名残である。

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高アルカリ性の温泉に見られる白い沈殿物は、温泉水に含まれるケイ酸が空気に触れて重合し、非晶質シリカ（SiO₂・nH₂O）となったもの。これは粘土鉱物の生成過程初期段階に似ている。粘土鉱物は層状珪酸塩鉱物で、ケイ酸が重合してシート状構造を形成する。温泉沈殿物は結晶化しておらず粘土鉱物ではないが、ケイ酸重合という共通点を持つ。つまり、温泉の沈殿物観察は、粘土鉱物生成の初期段階を理解するヒントとなる。さらに、温泉水中のカルシウムやマグネシウムと反応すれば、炭酸塩鉱物や粘土鉱物へと変化する可能性も示唆されている。

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竹野海岸のグリーンタフ（緑色凝灰岩）は、日本海形成時の火山活動で噴出した火山灰が海底に堆積し、熱水作用で変質した岩石。その緑色は、含まれる鉱物中の鉄イオンが酸化第二鉄から酸化第一鉄に変化したため。風化すると褐色になる。 グリーンタフは、その形成過程から、当時の日本海の環境や地殻変動を知る上で重要な手がかりとなる。周辺には、グリーンタフが風化してできた粘土質の土壌が広がり、水はけが悪く、稲作には不向きだが、果樹栽培などに適している。 記事では、グリーンタフを観察しながら、岩石の風化と土壌形成のプロセス、そして地域の農業との関連について考察している。火山活動が生み出した岩石が、長い時間をかけて土壌へと変化し、地域の産業に影響を与えていることを示す好例と言える。

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海底風化は、土壌生成の重要なプロセスであり、特に粘土鉱物の生成に大きく関わっている。陸上で生成された火山岩物質は、風や河川によって海へと運ばれ、海底で化学的風化作用を受ける。海水はアルカリ性であるため、岩石中の長石などの鉱物は分解され、粘土鉱物へと変化する。この過程で、岩石中のミネラルが溶出し、海水に供給される。生成された粘土鉱物は、海流によって運ばれ、堆積岩の一部となる。特にグリーンタフ地域は、海底風化の影響を受けた火山岩が多く分布し、多様な粘土鉱物が観察される。これらの粘土鉱物は、土壌の保水性や保肥性に影響を与え、農業にも重要な役割を果たしている。

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殺虫剤は昆虫の神経系に作用するものが多く、アセチルコリン、GABA以外にもグルタミン酸、グリシン、オクトパミン、チラミンなどが神経伝達物質として利用されている。昆虫と脊椎動物では神経伝達物質の役割が異なり、例えば昆虫の体制筋ではグルタミン酸が、脊椎動物ではアセチルコリンが使われている。ハチはグルタミン酸の前駆体であるプロリンを蓄えるが、これは体制筋の迅速な活動に関連している可能性がある。

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ヨトウガは広食性で農作物に甚大な被害を与える害虫。日本では越冬できる地域が限られると考えられていたが、近年ハウス栽培で越冬する可能性が指摘されている。ヨトウガの卵塊は風に乗って長距離移動するため、越冬場所の特定は防除対策において重要。もし全国的に冬場にホウレンソウ栽培が広がれば、ホウレンソウに含まれる植物エクジソンがヨトウガの生育を阻害し、越冬を抑制する可能性がある。

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脱皮ホルモン由来の殺虫剤「テブフェノジド」は、ヨトウガなどのチョウ目幼虫に特異的に作用し、異常脱皮を促して殺虫します。昆虫の成長は、幼若ホルモンと脱皮ホルモン（エクジソン）のバランスによる適切な脱皮で制御されますが、テブフェノジドはこのバランスを崩します。体が未発達な幼虫に過剰な脱皮を強いることでエネルギーを消耗させ、死に至らせるのです。このため若齢幼虫に極めて効果が高く、ホルモン作用ゆえに耐性がつきにくい利点があります。さらに、チョウ目幼虫にのみ作用するため、天敵への影響が少なく、環境負荷の低い防除法として注目されます。

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有機リン系殺虫剤は、リンを中心構造に持ち、P=S型（チオノ体）とP=O型が存在する。チオノ体は昆虫体内でP=O型（オクソン体）に代謝され、神経伝達物質アセチルコリンを分解する酵素アセチルコリンエステラーゼ(AChE)に作用する。オクソン体はAChEの活性部位に結合し、酵素の形状変化を引き起こすことで基質との結合を阻害、AChEを不活性化する。AChEは神経の興奮を鎮める役割を持つため、不活性化により昆虫は興奮状態を持続し、衰弱死に至る。AChEは他の動物にも存在するため、有機リン系殺虫剤は非選択的な作用を示す。

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ブログ記事の要約を承知いたしました。以下に250文字以内でまとめました。 --- 多くの農家が殺菌剤に病原菌を「滅菌」する効果を期待し、病気が畑全体に蔓延してから使用する傾向があります。しかし、殺菌剤の主な作用は病原菌の「阻害・弱体化」であり、農薬開発者も蔓延後の効果は限定的だと指摘。この誤解を解き、予防の重要性を強調しています。作物へのストレス軽減、虫媒介など発病要因の排除、そして早期発見と適切なタイミングでの殺菌剤使用が不可欠です。万が一の蔓延時には、フェントン反応の活用も検討すべきとしています。 ---

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こと京都株式会社の社内研修で、病気についての講演を行いました。農薬の作用メカニズムや、病気の感染経路、早期発見の重要性などを説明しました。参加者には、病気が発生した畑の次作について考えてもらう機会を設け、施肥設計の重要性を共有しました。講演内容は、殺菌剤の誤解されがちな作用、病気予防の重要性、そして発生後の対策に重点を置いています。京都農販の木村氏も葉枯病への対策について補足説明を行いました。詳細な内容は京都農販日誌に掲載されています。また、関連として酸素供給剤の可能性や京都市内の出来事に関する記事も紹介されています。

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ハダニは通常、異なる攻撃方法を持つ天敵（捕食性ダニと寄生蜂）に対して、それぞれ防御戦略を持ちます。しかし、京都大学の研究で、ハダニは捕食性ダニに対する防御と、寄生蜂に対する防御を両立できないことが判明しました。これは、ハダニの防御能力にトレードオフが存在することを示唆し、生物的防除戦略の可能性を示唆します。

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乾燥ストレスは作物の生育を阻害するだけでなく、ダニ被害のリスクも高める。高EC環境では藻類が発生しやすく、ダニの餌となる。しかし、乾燥するとダニは作物へと移動し食害を引き起こす。高EC下では作物は発根しにくく弱っているため、ダニの被害を受けやすい。結果として、高ECと乾燥の組み合わせは農薬の使用量増加につながる。牛糞堆肥による土壌改良は、保水性と通気性を向上させ、乾燥ストレスを軽減することで、ダニ被害の抑制にも繋がる可能性がある。

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食品残渣堆肥に発生したダニの安全性について疑問が生じ、ダニについて調べてみた。ダニはクモの近縁だが、体節の区別がなく、食性も肉食だけでなく植物食、菌食、腐食など多岐にわたる。多くのダニは人間生活と無関係で無害だが、研究は進んでいない。土壌の菌バランスを整える菌食性のダニも存在し、農業に有益なダニがいる可能性もある。ダニに関する知識を深める必要がある。

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アーバスキュラ菌根菌は、リン酸などの養分吸収を助けるため、共生関係を築ける環境作りが重要。土壌に水溶性養分や糖分が多いと共生しにくいため、過剰な施肥は避けるべき。ネギの菌根菌はネギだけでなく緑肥とも共生するため、除草剤で全て除去するのではなく、通路などに緑肥を栽培すると共生菌が増加。クローバーの根圏は共生菌が豊富との報告もあり、緑肥は土壌の物理性改善だけでなく肥料効率向上にも貢献する可能性がある。

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マンゼブなどのジチオカーバメート系殺菌剤は、SH酵素阻害を通じて殺菌活性を示す。SH酵素阻害とは、システインのSH基を活性中心とする酵素の直接阻害、補酵素CoAやリポ酸のSH基との反応による阻害、酵素反応に必要な重金属のキレートによる阻害を指す。マンゼブに含まれる亜鉛は、I-W系列の規則に従い金属酵素を阻害する。システインは硫黄を含むアミノ酸で、タンパク質の構造維持や活性酸素の除去に関わるグルタチオンの構成要素となる。ジチオカーバメートは、2つの硫黄を含むウレタン構造を指す。

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土壌が固くなると根毛の発生が阻害され、ミネラル吸収が低下し、光合成効率も悪くなり野菜の品質が落ちる。根毛はミネラル吸収に重要な役割を果たし、健全な根の成長は相対的なミネラル吸収量の増加につながる。一方、窒素過多は硝酸態窒素の還元に過剰なエネルギーを費やすことになり、ミネラル吸収や他の重要な代謝プロセスを阻害し、野菜の味を損なう。したがって、美味しい野菜を作るには、土壌を柔らかく保ち根毛の活発な発生を促し、ミネラル吸収を最大化することが重要であり、窒素過多を避ける施肥設計が重要となる。過剰なカルシウム蓄積などのミネラルバランスの崩れにも注意が必要。

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鉄過剰症になるとマンガン欠乏が発生しやすく、植物の生育に深刻な影響を与える。マンガンは鉄と同様に酸化還元反応に関与するが、鉄より配位力が小さく、より重要な働きを担う。例えば、光合成における水の酸化分解、活性酸素の生成、ビタミンCの合成などに関わっている。鉄は活性酸素の抑制に働くのに対し、マンガンは活性酸素の生成に関与するなど、鉄より強力な作用を持つ。そのため、鉄過剰でマンガンが欠乏すると、これらの必須機能が阻害され、植物の生育に悪影響が出る。

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鉄イオンは電子を放出しやすく受け取りやすい性質から、生物の様々な反応に関与する。例えば、植物は鉄イオンを利用して硝酸イオンを還元し、窒素を同化する。また、生物は活性酸素を用いて菌を殺菌するが、活性酸素は自身の細胞も傷つけるため、スーパーオキシドディスムターゼ（SOD）とペルオキシダーゼを用いて活性酸素を鎮める。これらの酵素は鉄（もしくはマンガン）から電子を受け取り、活性酸素を無害化する。つまり、鉄は活性酸素の生成と消去の両方に重要な役割を果たしている。このように、鉄とうまく付き合うことで、生物は様々な代謝をスムーズに行うことができる。

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イネも窒素固定を行うという。水田のミネラルだけで生育できるとは思えず、空気中からの窒素固定でタンパク質を合成しているのでは、と推測。日本の主食であるイネが窒素固定できることは、日本の文明にとって必然だったと言える。人類が窒素固定植物を選抜したことで農耕文化が発展した。

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ススキはセイタカアワダチソウの攻撃にも強く、群生することで勢力を拡大する。さらに、ススキは土壌微生物生態学によると、体内に窒素固定を行うエンドファイト窒素固定細菌と共生している。このため、マメ科植物のように窒素固定能力を持つ。ススキの旺盛な生育は昔から知られていたが、目立った特徴がなかったため窒素固定能力の発見は遅れた。

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クローバーの根圏には、他の植物と比べて格段に多くの菌類が集まる。特に木質資材が多い養分の乏しい環境では、クローバーは木質を分解する腐朽菌を根圏に集めることで、生育に有利な環境を作り出していると考えられる。この現象は、土壌微生物生態学の書籍にも記されており、クローバーが木質資材の分解を通じて優位に立つ仕組みを説明づけている。実際に木質資材でクローバーを育てると、根元に多くのキノコが生える様子が観察される。