根粒とは？意味をわかりやすく簡単に解説

text: LEAFLA編集部

根粒とは

根粒とは、マメ科植物の根に形成される小さな瘤状の器官で、根粒菌と呼ばれる土壌細菌との共生関係によって生まれる特殊な構造体です。大気中の窒素を固定する能力を持つ根粒菌は、植物に窒素を供給する見返りとして炭水化物を得ています。

根粒は通常直径1～5ミリメートルの大きさで、形成された後は植物の生長に重要な役割を果たす窒素固定の中心的な場所となっています。根粒内部には特殊なタンパク質であるレグヘモグロビンが存在し、窒素固定に必要な低酸素環境を維持するのです。

マメ科植物と根粒菌の共生関係は、地球上の窒素循環において極めて重要な役割を担っており、年間約2000万トンもの窒素を固定することが確認されています。この共生システムは、化学肥料に依存しない持続可能な農業の基盤となっているのです。

根粒の形成過程は複雑で、植物と根粒菌の双方から分泌される化学シグナルによって厳密に制御されています。根粒菌は植物の根毛に感染し、感染糸を形成して根の皮層細胞内に侵入することで共生関係を確立するのです。

根粒による窒素固定は、植物の生育に必要な窒素源を供給するだけでなく、土壌の肥沃度向上にも貢献しています。根粒を持つマメ科植物は、輪作や緑肥作物として農業生産システムで重要な位置を占めているのです。

「根粒形成のメカニズムと活用」に関して、以下を簡単に解説していきます。

根粒菌は土壌中のフラボノイドを感知して植物の根に向かって移動し、根毛の表面に付着して感染を開始します。根毛は根粒菌の存在を認識すると特殊な構造変化を起こし、感染糸と呼ばれる通路を形成するのです。

感染糸を通じて根の内部に侵入した根粒菌は、皮層細胞内で増殖を始め、バクテロイドと呼ばれる特殊な形態に分化していきます。この過程で植物は根粒形成に必要な遺伝子群を活性化し、根粒原基の形成を開始するのです。

根粒の発達過程では、植物と根粒菌の間で様々な遺伝子発現の制御が行われ、両者の代謝系が緊密に連携します。この相互作用により、窒素固定に適した環境が整えられ、効率的な共生システムが確立されていくのです。

根粒内部では、根粒菌が持つニトロゲナーゼ酵素が大気中の窒素分子を還元してアンモニアに変換します。この反応には大量のエネルギーが必要で、植物から供給される炭水化物が重要なエネルギー源となっているのです。

窒素固定反応は酸素によって阻害されるため、根粒内部は低酸素環境に保たれています。レグヘモグロビンは酸素の濃度を適切に調節し、根粒菌の呼吸に必要な最小限の酸素を供給する役割を担っているのです。

固定された窒素は、アミノ酸やウレイド化合物として植物体内を輸送され、タンパク質合成などに利用されます。この過程で根粒菌と植物の間で代謝産物の活発な交換が行われ、両者の栄養要求を満たしているのです。

マメ科作物の栽培では、土壌中の根粒菌密度を高めることが収量向上の鍵となります。根粒菌の接種処理や適切な栽培環境の整備により、効率的な窒素固定システムを確立できるのです。

緑肥作物としてのマメ科植物の利用は、土壌の窒素含量を増加させ、後作物の生育を促進する効果があります。輪作体系にマメ科作物を組み込むことで、化学肥料の使用量を削減し、持続可能な農業を実現できるのです。

根粒菌の新品種開発や接種技術の改良により、窒素固定能力の向上や環境ストレスへの耐性強化が進められています。バイオテクノロジーを活用した研究開発は、より効率的な共生システムの構築を目指しているのです。

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