JP2014509650A - 植物のストレス軽減のための組成物および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高温などの環境面でストレスの多い生育条件下で生育させる植物において、新たに発達する細胞の植物オートファジーおよび／またはアポトーシスを軽減するための組成物および方法。
【解決手段】植物の根または枝葉（すなわち、花および葉）のいずれか一方へのサイトカイニン、好ましくはカイネチンの外因的適用は、開花中または開花直前に適用した場合、オートファジーを克服するか、または少なくとも実質的に軽減することが見出された。実験結果は、高温で誘導されるオートファジー、およびその後の新しい細胞のアポトーシスが、植物組織におけるサイトカイニン不足の結果であることを示す。サイトカイニンと共に低濃度のカリウムを適用すると、サイトカイニンの効果を増幅させることによって相乗効果を提供し、オートファジーを減少させ、作物生産性を増加させるように思われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、高温などのストレス条件下で、新しい植物細胞の発達（例えば、開花）中に生じ得る植物のオートファジー、すなわち、新たに形成する不完全な植物細胞に栄養素を供給するための古い植物細胞の分解を軽減するための方法および組成物に関する。さらに、本発明は、種子の発育の強化、その結果、発達および生育中に環境ストレスの多い生育状態にある作物植物を含む植物からの収穫可能な穀類の収量の増加に関する。

従来、無機質肥料が、主に、生育作物植物に適用されてきた。しかし、外部ストレスが、特に、穀類もしくは種子作物および／または他の作物の正常な植物の発達を妨げる場合に、困難が発生する。低すぎるかまたは高すぎるかのいずれかの環境温度、特に高温によって与えられるストレスなどの物理的ストレスは、特に問題がある。さらに、最先端の農業実践は、オートファジー（すなわち、細胞栄養素の不足を補うために、新たに形成する細胞が、以前に形成された植物細胞を共食いすること）を防止するのに十分な量の栄養素、例えば、糖類を産生する際に、かかるストレスによる植物の障害を克服するために植物生育調節剤を使用しない。無機質肥料が、作物の生育および発達に必要な１６種類の無機質を提供することはよく知られている。植物生育調節剤などのシグナル伝達分子または他の分子が、特定の遺伝子の発現を介して作物の生産性を向上させることが知られている。さらに、植物生育調節剤の使用ならびに植物の生育および発達に対する影響について、多くの研究が行われている。しかし、本明細書で本発明が開示されるまで、特定の「シグナル伝達分子」の適用が、高い生育温度などの環境ストレスによって引き起こされる植物オートファジーを軽減することによって植物の生産性を改善することは知られていない。

指数関数的な人口成長を養うために食糧生産を改善するための技術および組成物ならびにより高い食糧生産に対する継続的な必要性についての膨大な量の研究を考慮すると、特に、より高い環境温度および他の過酷な生育条件の観点から、植物の生産性を改善するための方法および組成物の改善に対する、長い間感じられており、満たされていないニーズがある。

本発明の目的は、以下の１つまたは複数を達成することである。

作物植物の生産性および生育を高めるための方法および組成物を提供する。

過酷な環境ストレス下で生育する作物植物の生産性および生育を高めるための方法および組成物を提供する。

高温条件下で生育する植物の生産性および生育を高めるための方法および組成物を提供する。

植物による栄養素の合成を増加させる方法および組成物を提供する。

植物オートファジーおよび／またはアポトーシスを軽減するための方法および組成物を提供する。

作物生育の生殖生長期前の、作物生育の栄養生長期中の生産性および作物生育を高めるための方法および組成物を提供する。

穀類のサイジングのための水の利用可能度を増加させることによって、高温ストレス下で穀類作物の種子サイズを高め、その結果、作物の収量を高めるための方法および組成物を提供する。

穀類のサイジングのための水の利用可能度を増加させることによって、高温ストレス下で穀類作物の種子サイズを高め、その結果、作物の収量を高めるための方法および組成物を提供する。

本発明の他の目的、特徴、および利点は、当業者には、以下の明細書および図面から明らかであろう。

本発明の他の特徴および利点と共に、上記で特定した目的は、高温などのストレスの多い生育条件に対してより生産的および／または弾力的になるように植物、特に、作物植物を生育させるための方法および組成物に組み込まれる。生育温度が高すぎる場合に、花およびその後の胚（種子）の発育は危険にさらされることが知られており、作物穀類または他の種類の農業収穫物の生産性が損なわれ、作物収量が大幅に減少し得るという結果が付随して起こる。高温などの極端な生育条件下では、植物は、正常な同化プロセス（すなわち、花および胚／種子の発育）を行うのに必要な糖類などの栄養素の生成不能にある。この栄養素の不足を補うために、これらのストレス条件下で生育する植物は、典型的には、新たに形成される細胞が必要な栄養素を確保するように、オートファジーまたは自己共食いを被る。

植物生育調製剤／ホルモンのサイトカイニンを植物キャノピー（すなわち、葉および花）へ外因的に適用すると、新しい植物細胞の生育（すなわち、成功かつ完全な種子の発育）に十分な栄養素（すなわち、糖類）の必要な生成を誘導することによって、かかるオートファジーを防ぐことが見出された。光合成産物のレベルの増加を調節する遺伝子（すなわち、植物の糖／エネルギー生産者）は、サイトカイニンの外因的適用によって誘発されると考えられている。さらに、サイトカイニンと共に低濃度のカリウムを適用すると、実質的にサイトカイニンの効果を高めることが見出された。このような結果は、通常、肥料グレードのカリウムのより高い適用量に起因する生理作用とは異なるので、かかる低カリウム濃度では予期されない。低濃度のカリウムの適用は、サイトカイニン作用を発現する遺伝子などの特定の遺伝子の転写を刺激する際に、他のシグナル伝達分子（例えば、ホルモン）によく似た役割を果たすか、エネルギーレベルの増強をもたらすか、またはアブシジン酸などの収量の増加に影響を与える他のホルモンもしくはそれに対する反応性を増強すると考えられている。生育植物への低濃度のカリウムおよびサイトカイニンの適用による相乗効果も、より低いストレス生育条件下で実現され得る。

開示される組成物およびその適用の方法は、高温などのストレスの多い植物生育条件に起因する植物オートファジー、ならびに任意の後に続くアポトーシスを軽減するための実践的なアプローチを表す。本方法には、好ましくは、植物開花の開始時またはほぼ開示時（例えば、減数分裂中、かつ花粉がまさに裂開に入る時）に、植物の枝葉および／または花に植物ホルモン、主にサイトカイニンを適用することが含まれる。このオートファジー阻害剤は、好ましくは、サイトカイニンのカイネチンであるが、ゼアチン、ゼアチンの様々な形態、Ｎ６−ベンジルアデニン、Ｎ６−（デルタ−２−イソペンチル）アデニン、１，３−ジフェニル尿素、チジアズロン、ＣＰＰＵ（ホルクロルフェニュロン）またはサイトカイニン様活性を有する他の化学製剤などのサイトカイニンの他の形態が、単独で、または組み合わせて使用されてもよい。好ましくは、しかし、任意選択で、低濃度のカリウムも、前記の植物ホルモンの効果を高めるために植物ホルモンと共に適用される。

第１のステップでは、サイトカイニン植物ホルモンが、治療すべき植物への適用のために準備される。サイトカイニン植物ホルモンは、好ましくは、水溶液として植物に適用される。したがって、サイトカイニン植物ホルモンの準備には、十分な水でサイトカイニン植物ホルモンを希釈し、適用される混合物／組成物中の所望の濃度のサイトカイニンを作ること、このサイトカイニン植物ホルモンの混合物／組成物に低濃度のカリウムを加え、適用されるサイトカイニンの作用を高めること、治療すべき植物への次の適用のための噴霧器もしくはタンクに、カリウム（またはその水性混合物）を含む場合もしくは含まない場合でサイトカイニン植物ホルモンを添加すること、噴霧器もしくは計量アプリケータを較正し治療すべき植物への所望量のサイトカイニン植物ホルモン混合物を測定すること、ならびにカリウム（またはその水性混合物）を含む場合もしくは含まない場合でサイトカイニン植物ホルモンを治療すべき植物の場所に輸送すること、の活動のうちの１つまたは複数が含まれ得る。

好ましくは、原液水溶液中のサイトカイニン濃度は約０．０１％〜約０．１０％の範囲である。市販の、原液サイトカイニン溶液、Ｘ−Ｃｙｔｅ（Ｓｔｏｌｌｅｒ ＵＳＡ社の製品、ヒューストン、テキサス州）は、約０．０４％の好ましいサイトカイニン濃度を供給している。好ましいサイトカイニン濃度で、サイトカイニンの原液水溶液を、生育植物１エーカー当たり約１／４〜４パイントの溶液、より好ましくは、生育植物１エーカー当たり１〜２パイントの溶液の割合で治療すべき植物に第２のステップで適用する。かかる適用は、生育植物１エーカー当たり約０．０９ｇ〜約０．７６ｇの（１エーカー当たり水６０ガロンで希釈）サイトカイニンの割合、より好ましくは、生育植物１エーカー当たり約０．１９ｇ〜約０．３８ｇの（１エーカー当たり水６０ガロンで希釈）サイトカイニンの割合と同等である。カリウムは、サイトカイニンと共に適用される場合には、好ましくは、非常に低濃度で適用される。カリウム適用量は、好ましくは、１エーカー当たり約１／４ポンド〜約２ポンド、より好ましくは、１エーカー当たり約１／２ポンド〜約１〜１／２ポンド、最も好ましくは、１エーカー当たり約１ポンドである。サイトカイニンおよび／またはカリウムは、上述したとおり、同じ濃度で葉または土壌のいずれか一方に適用することができる。サイトカイニンおよび／またはカリウムは、任意の適切な方法で土壌に、例えば、植物の根に近い開放溝の中に適用されてもよく、その後、溝は閉じてもよい。サイトカイニンおよび／またはカリウムは、オーバーヘッドもしくはドリップテープ、またはとりわけ畝間灌漑などの灌漑の様々な形態で適用されてもよい。

限定するものとしてではなく、例示として、本発明を、添付の図面に基づき、以下に詳細に説明する。

高温の生育条件下での正常に機能しない種子／長角果の発達が、栄養素／糖欠乏によって引き起こされ、オートファジーを介して、新たに形成する植物細胞のアポトーシスを刺激し得るか否かを試験した実験結果のヒストグラムである。 図１で得られた結果を検証する実験データ、すなわち、オートファジーによって引き起こされる高温での収量の減少が、主に、植物生育調整剤／ホルモンであるサイトカイニンの不足に起因することを示すヒストグラムである。

本発明の好ましい実施態様は、従来技術の欠点のうちの１つまたは複数に対処し、前記で特定した目的のうちの少なくとも１つを包含する。本発明は、植物に適切に適用される場合には、高温などのストレス条件下で生育した植物の生殖部（例えば、特に、花粉）の生育および発達に十分な糖類などの栄養素の合成および移動を高めることが見出された植物生育調節剤、好ましくは、サイトカイニンを使用する。本発明の目的で、高い生育温度には、摂氏約２５度を超える生育温度（華氏７７度）、より一般的には、摂氏約３０度を超える生育温度（華氏８６度）が含まれる。さらに、摂氏約２０度（華氏６８度）を超える温度は、植物の種類（例えば、小麦、大麦、およびライ麦）ならびに／または場所（例えば、地球の極からの距離）に応じて、「高い」温度とみなされてもよい。かかる高温は、作物植物の生産性を損なうことが見出されている。これは、高温による植物中のサイトカイニン植物ホルモンの減少の結果であると考えられる。

植物組織におけるサイトカイニンのレベルの低下は、生殖発達に必要な栄養素を提供するために、正常な植物組織のオートファジー、すなわち自己共食いを刺激する。オートファジーのストレスは、種子形成（Ｃｈｅｉｋｈ ｅｔ ａｌ.１９９４）、構造上の強度および／または生殖器官の身体的完全性（したがって、卵受精の成功）（Ｌｉｐｔａｙ ｅｔ ａｌ.１９９４）、細胞の配置および臓器の機能性（Ｌｏｌｌｅ ｅｔ ａｌ.１９９８）、細胞複製（Ｔａｋａｈｓｈｉ ｅｔ ａｌ.２００８）ならびに細胞増殖（Ｓｚｅｋｅｒｅｓ ｅｔ ａｌ.１９９６）を損ない得る。これらのストレス効果は、前述の植物の生育および発達の様々なプロセスにおける予め形成された組織のオートファジーに起因する。さらに、このオートファジーは、潜在的な作物製品のアポトーシスをもたらし、それによって、作物収量を大幅に減少させる。

植物の花および葉（すなわち、枝葉）へのサイトカイニンの外因的適用は、柔らかい、新しい細胞が使用するための栄養素／糖類の合成の強化に必要とされる空間的に必須の生育調節剤のシグナル伝達効果をもたらす。サイトカイニンおよび／またはカリウムは、植物が生育している土壌に同じ濃度で適用することもできる。サイトカイニンおよび／またはカリウムは、任意の適切な方法で土壌に、例えば、植物の根に近い開放溝の中に適用されてもよく、その後、溝は閉じてもよい。サイトカイニンおよび／またはカリウムは、オーバーヘッドもしくはドリップテープ、またはとりわけ畝間灌漑などの灌漑の様々な形態で適用されてもよい。サイトカイニン適用を介する栄養素合成の増強は、植物の繁殖のために生物組織のより完全な発達をもたらすと考えられている。具体的には、栄養素／エネルギーの適切な供給の可用性が、雄性の精子の発達に関与する様々な組織および生体シグナルを含む、雄性の精子の発達の成功につながる。適切なエネルギー源は、精子が内包によって保護される花粉の発達の様々な段階も支援する。また、十分な栄養素／エネルギーは、雄性の精子が花粉粒から、発達中の花粉管を通って、卵の受精のための雌性の卵巣に移動する中で、雄性の精子を支援するのに利用できる。したがって、サイトカイニン適用は、作物植物の種子の胚および関連組織の形成の成功をもたらし、それによって、オートファジーおよび全ての結果として起こるアポトーシスを克服する。

さらに、サイトカイニンと共に低濃度のカリウムを適用すると、実質的に植物組織に対するサイトカイニンの効果を高めることが見出された。かかる結果は、予想外であり、通常、一般的な肥料グレードのカリウムのより高い適用量に起因する生理学的効果とは異なる。適用されるより高いカリウム濃度の生理学的効果には、植物の膨張を維持すること、したがって、水の供給を確保すること、細胞質のｐＨを安定化させるのを助けるアニオンを中和すること、かつ一般的な代謝過程が含まれる。これらの生理学的効果を誘導するために、適用されるカリウムの濃度は、一般的な肥料と類似していなければならない。本明細書に開示され、シグナル伝達効果に用いられる低濃度のカリウムは、Ｎｏｏｄｅｎらに付与された米国特許第４，５８１，０５６号またはＡ.Ａ.Ｃｓｉｚｉｎｓｚｋｙ,Ｆｏｌｉａｒ ａｎｄ Ｓｏｉｌ−Ａｐｐｌｉｅｄ Ｂｉｏｓｔｉｍｕｌａｎｔ Ｓｔｕｄｉｅｓ ｗｉｔｈ Ｍｉｃｒｏｉｒｒｉｇａｔｅｄ Ｐｅｐｐｅｒ ａｎｄ Ｔｏｍａｔｏ,１０３ ＰＲＯＣ.ＦＬＡ.ＳＴＡＴＥ ＨＯＲＴ.ＳＯＣ.１１３−１７（１９９０）に記載されるものなどの一般的なカリウム肥料の適用よりも少なくとも１０％低い。低濃度で適用されるカリウムは、適用されるサイトカイニンに応答して発現する遺伝子などの特定の遺伝子の転写を補助する際に、他のシグナル伝達分子{例えば、ホルモン）によく似た役割を果たすと考えられる。カリウムは、サイトカイニンと共に適用される場合には、好ましくは、１エーカー当たり約１／４ポンド〜約２ポンド、より好ましくは、１エーカー当たり約１／２ポンド〜約１〜１／２ポンド、最も好ましくは、１エーカー当たり約１ポンドの非常に低濃度で適用される。１エーカー当たり約２ポンドを超えるカリウム適用量については、カリウムのシグナル伝達作用は、ますます減少することが見出された。

本発明の好ましい実施態様は、栄養素／糖類の十分な合成を促進し、その結果、これらの栄養素／糖類（すなわち、化学エネルギー）が、発達している雄性植物器官に移動してもよい。本方法には、好ましくは、植物の開花時またはほぼ開花時に、植物の枝葉および／または花への植物ホルモン、主にサイトカイニンの適用が含まれる。サイトカイニン適用の潜在的な有効期間は、花の出現前の数週間、花の出現、受粉に至るまでの数週間、および花の出現、受粉を含む数週間、ならびにその後の胚の発達中の数週間に及び得る。好ましい時期は、花粉母細胞が分化に失敗するか、または分裂に失敗する時である減数分裂の過程の間である。減数分裂のこの時期は、花芽分化後であるが、花が開く前の間隔の間の双子葉植物に発生する。穀類などの単子葉植物では、この時期は、穀物の発達における「初期の穂ばらみ」期（Ｆｅｅｋｅｓ ｓｔａｇｅ １０．０）にほぼ相当する。別の好ましい時期は、花粉が裂開（またはシェッド）にまさに入ろうとする時である、タペータムおよび花粉嚢からの花粉の放出中である。双子葉植物では、これは、一般的に、開花直前から、花が死んで、植物から落ちるまでの期間内に含まれる。単子葉植物では、花粉の放出は、穀類の発達中のＦｅｅｋｅｓ ｓｔａｇｅ（１０．５．１）にほぼ相当する。開花後にサイトカイニンを適用すると、高温生育条件下での胚の発達を向上させ、それによって、収量を増加させることもできる。

オートファジー阻害剤は、好ましくは、サイトカイニンのカイネチンであるが、ゼアチン、ゼアチンの様々な形態、Ｎ６−ベンジルアデニン、Ｎ６−（デルタ−２−イソペンチル）アデニン、１，３−ジフェニル尿素、チジアズロン、ＣＰＰＵ（ホルクロルフェニュロン）またはサイトカイニン様活性を有する他の化学製剤などのサイトカイニンの他の形態が、単独で、または組み合わせて使用されてもよい。好ましくは、しかし、任意選択で、低濃度のカリウムも、植物ホルモンのサイトカイニンの効果を高めるために植物ホルモンと共に適用される。

第１ステップでは、サイトカイニン植物ホルモンが、治療すべき植物への適用のために準備される。サイトカイニン植物ホルモンは、好ましくは、水溶液として植物に適用される。農薬の適用は、噴霧、点滴ライン、側方施肥などを含むがこれらに限定されない、当業者に周知のいくつかの方法のいずれかで達成されてもよい。したがって、サイトカイニン植物ホルモンの準備には、以下の活動のうちの１つまたは複数が含まれ得る：十分な水でサイトカイニン植物ホルモンを希釈し、適用される混合物／組成物中の所望の濃度のサイトカイニンを作ること、このサイトカイニン植物ホルモンの混合物／組成物に低濃度のカリウムを加え、適用されるサイトカイニンの効果を高めること、治療すべき植物への次の適用のための噴霧器またはタンクに、カリウム（またはその水性混合物）を含む場合または含まない場合でサイトカイニン植物ホルモンを添加すること、噴霧器もしくは計量アプリケータを較正し治療すべき植物への所望量のサイトカイニン植物ホルモンを測定すること、ならびにカリウム（またはその水性混合物）を含む場合もしくは含まない場合でサイトカイニン植物ホルモンを治療すべき植物の場所に輸送すること。

好ましくは、原液水溶液中のサイトカイニン濃度は約０．０１％〜約０．１０％の範囲である。市販の、原液サイトカイニン製品、Ｘ−Ｃｙｔｅ（Ｓｔｏｌｌｅｒ ＵＳＡ社の製品、ヒューストン、テキサス州）は、約０．０４％の好ましいサイトカイニン濃度を供給している。好ましいサイトカイニン濃度で、サイトカイニンの原液水溶液を、生育植物１エーカー当たり約１／４〜４パイントの溶液、より好ましくは、生育植物１エーカー当たり１〜２パイント１〜２パイントの溶液の割合で治療すべき植物に第２のステップで適用する。かかる適用は、特定の植物／作物の種に応じて、生育植物１エーカー当たり約０．０９ｇ〜約０．７６ｇのサイトカイニン（噴霧液／適用液については１エーカー当たり水６０ガロンで希釈）の割合、より好ましくは、生育植物１エーカー当たり約０．１９ｇ〜約０．３８ｇのサイトカイニン（噴霧液／適用液については１エーカー当たり水６０ガロンで希釈）の割合と同等である。したがって、上記に開示したとおり、生育植物に適用されるサイトカイニンの量（１エーカー当たりサイトカイニンの原液水溶液１〜２パイント、これは、１エーカー当たり噴霧液／適用液のサイトカイニン０．１ｐｐｍ〜１．６６ｐｐｍに相当する）は、生育植物への以前のサイトカイニン適用よりもはるかに低い。実際、好ましい適用量は、Ｎ.Ｇ.Ｄｅｎｎｙ,Ｕｓｅｒ Ｇｕｉｄｅ ｏｆ Ｐｌａｎｔ Ｇｒｏｗｔｈ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒｓによって提案されるような約２０ｐｐｍ〜約４００ｐｐｍであるサイトカイニン適用の他の報告された範囲よりも１０倍超低い。花の発達の期間が非常に長い場合、この適用は、新たに発育している花に対して繰り返される必要があるかもしれない。

サイトカイニンおよび／またはカリウム（下記でさらに詳細に説明される）は、同じ濃度で植物の葉または土壌のいずれか一方に適用することができる。サイトカイニンおよび／またはカリウムは、任意の適切な方法で土壌に、例えば、植物の根に近い開放溝の中に適用してもよく、その後、溝は閉じてもよい。サイトカイニンおよび／またはカリウムは、オーバーヘッドもしくはドリップテープ、またはとりわけ畝間灌漑などの灌漑の様々な形態で適用されてもよい。

カリウムは、また、サイトカイニンと共に適用される場合には、好ましくは、低濃度で適用される（あるいは、カリウムは、サイトカイニンの別々の適用の前後に適用されてもよい。しかし、かかる別々の適用は、それらがより多くのエネルギーおよび集約的時間を必要とするので、最適ではない）。カリウムは、好ましくは、カリ中に見られるものなどのカリウム塩として適用されるが、当業者に周知のカリウムの他の形態も同様に用いてもよい。カリウム適用量は、好ましくは、１エーカー当たり約１／４ポンド〜約２ポンド（１エーカー当たり噴霧液のカリウム約５００ｐｐｍ〜約４，０００ｐｐｍに相当する）、より好ましくは、１エーカー当たり約１／２ポンド〜約１〜１／２ポンド、最も好ましくは、１エーカー当たり約１ポンドである。低濃度のカリウムと共に低濃度のサイトカイニンを生育植物へ適用した場合の相乗効果は、高ストレス生育条件に限定されるものではないが、より低いストレス生育条件下でも実現され得る。

本発明の好ましい実施態様を、以下のいくつかの実施例でさらに説明する。しかし、これらの実施例は、本明細書で開示される本発明の範囲を限定することを決して意味せず、かつそのように解釈されるべきではない。

高温環境で生育する植物に適切に適用される場合、植物生育調節剤のサイトカイニンが、糖レベルを高め、植物のエネルギー欠損部分への糖類の移動を増加させる程度を決定するために実験を行った。これらの実験を、また、高温ストレス下で、植物組織が、２つの潜在的な問題：１つ目は、高温ストレス下で、植物組織におけるサイトカイニンの欠乏があるか否か、２つ目は、高温ストレス下で、サイトカイニンの分解があるか否か（これは、この場合には、植物組織における活性のあるサイトカイニンの量を減らすことによって、植物組織中の植物生育調節剤のバランスを調整するための通常のプロセスである）の１つまたは両方を被るか否かを決定するために設計した。

図１および図２に示すとおり、これらの実験のデータは、植物の開花期の間に高温ストレスにさらされる植物が被る問題は、植物の生殖組織におけるサイトカイニンの不足であることをはっきり示す。これらの結果は、さらに、本明細書に開示したとおり、適切な、外因的サイトカイニン適用が、高温生育環境で植物の発達および作物収量を増加させる（すなわち、適切に発育する種子の数および質を増加させるので、収穫時に収量が増加する）ことを示す。図１は、高温の生育条件下で、正常に機能しない種子／長角果の発達が、オートファジーを介して、新たに形成される植物細胞のアポトーシスを刺激し得る栄養素／糖欠乏によって引き起こされるか否かを試験した実験結果のヒストグラムである。図２は、図１で得られた結果を検証する実験データ、すなわち、オートファジーによって引き起こされる高温の収量の減少が、主に、植物生育調整剤／ホルモンであるサイトカイニンの不足に起因することを示すヒストグラムである。

これらの実験には、ゲノムが２０００年には早くもマップされたモデル作物植物のシロイヌナズナを用いた。一貫性を保証するために、試験植物は、それらが開花の初期段階にあり、グループ間でバランスのとれた花の数を有するように選択した。０．０１％のＳｉｌｗｅｔ（登録商標）スーパースプレッダー（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃから入手）を含む水溶液中の対照薬剤および全ての試験薬剤を、試験植物の葉および花（すなわち、枝葉）に適用した。図１に示すとおり、０．０１％のＳｉｌｗｅｔ（登録商標）スーパースプレッダーの水溶液からなる対照の薬剤（Ｃｔｌ）を、対照の植物群に適用した。１００μｇ／ｌ（０．１ｐｐｍ）のＮ−（２−クロロ−ピリジン−４−イル）−Ｎ−フェニル−尿素（ＣＰＰＵ）からなる第２の試験薬剤を、第２の植物群に適用し、種子形成の問題は、サイトカイニン不足または植物中のサイトカイニンを分解する過度に活動的な酵素に起因するのか否かを試験した。試験した第３および第４の薬剤は、共にサイトカイニンである６−ベンジルアデニン（６−ＢＡ）およびカイネチン（ＫＩＮ）からなっており、それぞれ、１００μｇ／ｌ（０．１ｐｐｍ）の割合で適用した。最後に、試験した第５および第６の薬剤は、それぞれ、容易に利用可能なエネルギー源として適用される２０ｍＭ（ＳＵＣ２０）および１００ｍＭ（ＳＵＣ１００）の溶液中の適用される糖類のショ糖からなっていた。

記載した濃度／用量に調製した試験薬剤の水溶液を、熱暴露の１日前および再度熱暴露の開始後４日目に流出するまで、シロイヌナズナの花および葉（すなわち、枝葉）の試験群に噴霧した。熱暴露の合計時間は１４日であった。生育温度を、日中の１６時間は摂氏３３〜３６度であり、夜の８時間は摂氏約２５度に維持した。これらの実験を、ポリ（メタクリル酸メチル）で囲まれた棚、すなわち、Ｐｌｅｘｉｇｌａｓｓ（登録商標）で囲まれた棚上で、４個の２種類の蛍光灯およびサーモスタット制御の排気ファンを使用して行った。実験の開始直前、ならびに再度、熱暴露処理の１４日後に、発達した種子（長さ７ｍｍ超および／もしくは幅１ｍｍ超、ならびに／または種子を有する長角果）で満たされた種子のさや（すなわち、長角果）の数を数えた。

図１に示すとおり、植物生育調節剤のサイトカイニンは、高い生育温度によって引き起こされる植物組織における糖欠乏を軽減するので、オートファジーを防止することができる。この結果は、サイトカイニン試験剤の６−ベンジルアデニン（６−ＢＡ）およびカイネチン（ＫＩＮ）中の種子（すなわち、長角果）の数の増加によって示される。サイトカイニン試験薬剤で得られる正の結果と組み合わせて、Ｎ−（２−クロロ−ピリジン−４−イル）−Ｎ−フェニル−ウレア（ＣＰＰＵ）試験剤（すなわち、サイトカイニン酸化酵素阻害剤）で得られるわずかに負の結果は、高温で誘導されるオートファジーの問題が、サイトカイニン不足（すなわち、新たに形成する細胞のエネルギー合成の欠如）に起因することをはっきりと示す。２種類のショ糖試験薬剤も、砂糖／光合成不足を軽減し、それによって植物のオートファジーを防いだことは留意すべきである。しかし、ショ糖試験薬剤は、ショ糖がその場で急速に分解するので、高価で、一時的な救済をもたらす。

図２は、前の実験（図１）で得られた結果を強化する実験結果の追加セットを示す。第２の実験を、ＣＰＰＵ適用を除いて、第１の実験と同じ方法ならびに同じ濃度の対照薬剤および試験薬剤を用いて行った。したがって、ＣＰＰＵを除いて、第１の実験で使用されるようにそれぞれの水溶液を、熱暴露の１日前、および再度、熱暴露の開始後４日目に流出するまで、シロイヌナズナの枝葉の試験群に噴霧した。熱暴露の合計時間は１４日であった。生育温度を、日中の１６時間は摂氏３３〜３６度であり、夜の８時間は摂氏約２５度に維持した。これらの実験を、ポリ（メタクリル酸メチル）で囲まれた棚、すなわち、Ｐｌｅｘｉｇｌａｓｓ（登録商標）で囲まれた棚上で、４個の２種類の蛍光灯およびサーモスタット制御の排気ファンを使用して行った。実験の開始直前、ならびに再度、熱暴露処理の１４日後に、発達した種子（長さ７ｍｍ超および／もしくは幅１ｍｍ超、ならびに／または種子を有する長角果）で満たされた種子のさや（すなわち、長角果）の数を数えた。第２の実験の結果を、第１の実験の結果と同様に解釈することによって、植物生育調節剤のサイトカイニンが、高い生育温度によって引き起こされる植物組織における糖欠乏を軽減し、したがって、オートファジーを低減することができることを確認してもよい。

この実施例では、植物生育調節剤のサイトカイニン、特に、カイネチンを、開花の初めおよびその後２〜４週間目にカリフォルニア州ガスティーンの屋外栽培豆（すなわち、リマ豆）に適用した効果を観察した。摂氏約３５度までの生育温度を記録した。表２（下）は、これを繰り返し、ランダム化した実験の結果を提供する。カイネチンの水溶液を、開花直前に、１エーカー当たり１パイントまたは１エーカー当たり２パイントの割合のいずれかでリマ豆の枝葉に適用した場合、これらのリマ豆の収量が顕著に増加した（すなわち、オートファジーに屈する種子、および種子の死または崩壊が少なかった）。「ｔ」検定の５％の変化は有意である。

表１：０ｐｔ／エーカー、１／２ｐｔ／エーカー、１ｐｔ／エーカーおよび２ｐｔ／エーカーの割合に対する開花時のカイネチン溶液適用の作物収量

この実施例では、低濃度のカリウムと共に適用した植物生育調節剤／ホルモンのサイトカイニンの効果を観察した。前記で開示したとおり、フィールドに適用したサイトカイニンはＸ−Ｃｙｔｅであった。３年の期間にわたってオハイオ州で行ったこれらの反復されないフィールド試験において、１エーカー当たり１／２ポンド〜１ポンドのカリウムおよび１エーカー当たり１パイントのサイトカイニンをフィールドのトウモロコシに適用した。サイトカイニンに加えて、カリウムを適用することによって達成した平均収量の増加は、１エーカー当たり約１５のブッシェルであった。

この実施例では、植物生育調節剤サイトカイニン、特に、カイネチンを、生育の生殖段階前の様々な時点で適用した効果を観察した。表２のＶ７、Ｖ１０、Ｖ１３、およびＶ１６は、トウモロコシ植物の生育段階を指す。Ｖ７は７番目の葉の襟がみえる場合の生育段階を表し、Ｖ１０は１０番目の葉の襟がみえる場合の生育段階を表し、Ｖ１３は１３番目の葉の襟がみえる場合の生育段階を表し、かつＶ１６は１６番目の葉の襟がみえる場合の生育段階を表す。Ｖ１６は、生育の生殖段階の直前でもある。トウモロコシ作物をテキサス州ウェスラコで生育させた。水のレベルは、なし（すなわち、乾燥地と呼ばれる少しの雨）、または「ドリップテープ」（すなわち、十分な水が作物のより最適な生育のために適用されることによる細流灌漑）を通る滴のいずれかであった。収量（１エーカー当たりブッシェルで測定）、および種子の重量（１，０００カーネル当たりグラムで測定）についての結果を与える。Ｔ検定は差があるか否かを示す。外因性のサイトカイニン（この場合はカイネチン）を用いた全ての治療は、非常に有意に収量を向上させた。種子サイズは、一般的に、未治療の対照および外因的に適用したサイトカイニンの両方により最適な水やりを行うことでほぼ同じ程度に増加した。しかし、乾燥地条件下（無添加の水または灌漑）で、サイトカイニン治療は、非常に有意に未治療の対照を上回って種子サイズを増加させた。

表２：サイトカイニン、この場合、カイネチンを用いて生育の生殖段階前にフィールドで生育させたトウモロコシ作物の作物収量（１エーカー当たり穀類のブッシェルで測定）、および種子の重量（種子１，０００カーネル当たりグラムで測定）に対する治療の効果

本開示の要旨は、単に、米国特許商標局および一般国民に、簡略な検査から迅速に技術的開示の性質および趣旨を判断するための手段を提供するために記載されたものであり、１つの好ましい実施態様を表し、全体として本発明の性質を示すものではない。

本発明のいくつかの実施態様を詳細に説明してきたが、本発明は、示した実施態様に限定されない。開示した実施態様の変更および適応は、当業者が想到することができる。かかる変更および適応は、本明細書の以下の特許請求の範囲に記載されるとおり本発明の趣旨および範囲内にある。

Claims (16)

1. 高ストレス環境条件下で生育させた植物の植物オートファジーを軽減する方法であって、
   植物に適用するための、主にサイトカイニンである植物ホルモンを準備するステップと、
   開花中または開花直前に、前記植物に水溶液中の前記植物ホルモンを適用するステップと、を含み、
   前記水溶液が、約０．０１重量％〜約０．１重量％のサイトカイニン濃度を有し、前記水溶液を、１エーカー（４，０４７平方メートル）あたり約１／４パイント（０．１１８リットル）〜約４パイント（１．８９２リットル）の割合で前記植物に適用する方法。
2. 前記水溶液を、前記植物の枝葉または花に適用する、請求項１に記載の方法。
3. 前記水溶液を、前記植物が生育している土壌に適用する、請求項１に記載の方法。
4. 前記高ストレス環境条件が、摂氏約３０度を超える日中の温度である、請求項１に記載の方法。
5. 前記摂氏３０度を超える日中の温度が、開花中または開花直前に発生する、請求項４に記載の方法。
6. １エーカー（４，０４７平方メートル）あたり約１／４ポンド（１１３グラム）〜約２ポンド（９０７グラム）の割合で、前記植物の枝葉または花にカリウムを適用するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. １エーカー（４，０４７平方メートル）あたり約１／４ポンド（１１３グラム）〜約２ポンド（９０７グラム）の割合で、前記植物が生育している土壌にカリウムを適用するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 農業の方法であって、
   生育植物への適用のために、サイトカイニンを含む植物ホルモンからなるオートファジー阻害剤を準備するステップと、
   前記生育植物への適用のためにカリウム塩を準備するステップと、
   水溶液中の前記オートファジー阻害剤および前記カリウム塩を、開花中もしくは開花直前に前記生育植物の枝葉もしくは花に適用するか、または前記植物が生育している土壌に適用するステップと、を含み、 生育植物１エーカー（４，０４７平方メートル）あたり約０．０９グラム〜約０．７６グラムのサイトカイニンを適用するように、前記水溶液を前記生育植物へ適用する方法。
9. 前記カリウム塩を、１エーカー（４，０４７平方メートル）あたり約１／４ポンド（１１３グラム）〜約２ポンド（９０７グラム）の割合で前記生育植物の枝葉もしくは花に適用するか、または前記植物が生育している土壌に適用する、請求項８に記載の方法。
10. 植物を生育させる方法であって、
    摂氏約２０度を超える日中の平均温度で生育する植物の枝葉または花への適用のために、主成分としてサイトカイニンを有する植物ホルモンおよびカリウムを準備するステップと、
    開花中または開花直前に、前記植物ホルモンおよび前記カリウムの水溶液を前記植物の枝葉もしくは花に適用するか、または前記植物が生育している土壌に適用するステップと、
    を含み、前記サイトカイニンを、１エーカー（４，０４７平方メートル）あたり約０．０９グラム〜１エーカーあたり約０．７６グラムの割合で前記植物に適用する方法。
11. 前記カリウムを、１エーカー（４，０４７平方メートル）あたり約１／４ポンド（１１３グラム）〜約２ポンド（９０７グラム）の割合で前記植物の枝葉もしくは花に適用するか、または前記植物が生育している土壌に適用する、請求項１０に記載の方法。
12. 摂氏約２０度を超える前記日中の平均温度が、開花中または開花直前に発生する、請求項１０に記載の方法。
13. 前記日中の平均温度が、摂氏約３０度を超える、請求項１０に記載の方法。
14. 生育植物における環境ストレスを軽減するための組成物であって、
    主にサイトカイニンを含む植物ホルモンを含み、前記サイトカイニンは、約０．１ｐｐｍ〜約３．４ｐｐｍの濃度で前記組成物の水溶液中に存在し、摂氏約３０度の日中の平均生育温度下で植物オートファジーを減少させるのに有効な量である組成物。
15. 約５００ｐｐｍ〜約４，０００ｐｐｍの濃度で前記組成物中に存在するカリウム塩をさらに含む、請求項１４に記載の組成物。
16. 生育植物中の環境ストレスを減少させる組成物であって、
    主成分としてサイトカイニンを有する植物ホルモンを含み、前記サイトカイニンは、前記生育植物１エーカー（４，０４７平方メートル）あたり約０．０９グラム〜約０．７６グラムで適用され得るような濃度で前記組成物の水溶液中に存在し、前記組成物がそのように適用される場合、前記組成物は、摂氏約３０度を超える日中の平均生育温度下で植物オートファジーを減少させるのに有効な量であり、
    前記組成物がそのように適用される場合、カリウム塩は、前記生育植物１エーカー（４，０４７平方メートル）あたり約１／４ポンド（１１３グラム）〜約２ポンド（９０７グラム）のカリウム塩が適用され得るような濃度で前記組成物の前記水溶液中に存在する組成物。

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