食料安全保障のための木質繊維によるジャガイモの水耕栽培

Jan 01, 2024

npj 食の科学第 7 巻、記事番号: 24 (2023) この記事を引用

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12 オルトメトリック

メトリクスの詳細

世界の食料安全保障の回復力は重大な懸念事項です。土地へのアクセスが制限され、食品市場が混乱する可能性に直面しているため、食品生産の完全性を維持するための補完的な緩衝材として、代替的で拡張性のある効率的な生産システムが必要とされています。この研究の目的は、成長培地として裸木繊維でジャガイモを栽培する、代替的な水耕栽培ジャガイモ栽培システムを導入することでした。点滴灌漑と容器としてビニール袋を利用するシステムを、3 つの異なる種類の木質繊維、2 つの品種、および 2 つの施肥戦略でテストしました。このシステムの導入により、地元の従来の農業と比較して、塊茎の生産量が最大 300% 増加しました。水耕栽培システムから得られた塊茎のミネラル組成は、野外で栽培された塊茎の組成と類似しており、生物強化の可能性があることが明らかになりました。さらに、2 つの施用点が根域を横切って離れた施肥戦略により、土壌で栽培したジャガイモに匹敵する乾物含有量の塊茎が得られました。このソリューションのリサイクル性、再利用性、シンプルさは、都市農業での利用だけでなく、世界の特定地域における食料生産の安全性を向上させるための応用を促進する可能性があります。

今後数十年間、人口の拡大と市場の不安定性により、世界の食料システムの改善が必要となるでしょう。食料システムは持続可能なバランスを保っておらず、世界の人口に十分な栄養価の高い食料を提供していません1。国連食糧農業機関によると、2050 年までに、97 億人の世界人口は現在消費されている食料より 70% 多く、発展途上国では 100% 多くの食料を必要とすると予想されています2。世界中の消費者に十分な食料供給を確保するために、現在、農地に転用される地域がますます増えており、多くの場合、高い生物多様性の自然生息地が損なわれています。より多くの土地を変換してより多くの食料を生産することが食料安全保障に貢献するかどうかは疑問です3。 Godfray と Garnett4 は、食料生産を増やすという目標は、持続可能性とバランスを維持するための同様に重要な他の目標によって制約される必要があると指摘しました。食料生産は持続的に強化されるべきです。つまり、生態系の悪化、気候の変化、土地と水資源の減少への影響をより少なくしながら達成されるべきです。一方で、環境への懸念により、急速に増加する人口の食料安全保障が困難になっています。

前例のない都市化速度により、世界中で食料システムが変化しており5、特にサハラ以南のアフリカと南アジアで顕著です6。都市化は、より栄養価の高い加工品への食料需要の変化を引き起こし、農地を住宅地または工業地帯に転換し、より複雑な市場のつながりを形成します6。都市部では農業に使用される土地へのアクセスが限られており、交通機関やインフラへの依存度が高いため、食料は残りの農地7でより集中的に生産されるか、都市部および都市近郊の農地として分類されていない土地で生産されます。実際、多くの都市では農業に必要な土地へのアクセスが困難になっている9が、都市および都市近郊の農業は、ほとんどの低所得国で何億もの都市居住者の食糧と栄養の安全保障に重要な役割を果たしている8。したがって、土地資源が限られている地域で食料を生産するには、代替栽培システムと技術的解決策を導入する必要があります。

ジャガイモは世界消費量の点で 3 番目に重要な食用作物であり、世界が人口増加と食糧供給の混乱という課題に直面する中、食糧安全保障作物として FAO によって強く推奨されています 10,11。 FAO によると、ジャガイモは他の主要作物よりも短期間で単位農地当たりの収量が多くなります2。世界のジャガイモ生産面積は減少し続けているにもかかわらず、2020 年には世界で 3 億 6,000 万トン以上が生産され、2010 年の 3 億 2,900 万トンから大幅に増加しました12。何百万もの農家が食料と現金収入の両方をジャガイモに依存しています。一方、主要な穀物商品とは異なり、主要な国際商品取引所には存在しないため、その供給は投機的な市場活動の影響を受けません。ジャガイモは、最も多様な流通パターンを持つ世界的な作物の 1 つです13。ジャガイモ（およびサツマイモ）の栽培は、アジアのように穀物が主流だった現地の食料システムの強化と多様化に役立ち、危機に耐えて回復する能力の強化に役立っていることが示されています14。ヘックらは、新型コロナウイルス感染症パンデミック中の食品市場の状況から導き出された最近の意見書の中で、農業革新は貧しい人々のニーズを満たすことに焦点を当てるべきであり、生物強化されたジャガイモとサツマイモを利用することで栄養と栄養が改善され、このような危機の中での生計。

南アメリカの高地地域が原産のジャガイモは、困難な生育条件下でも生産できますが、その収量と品質は土壌水分の過剰と不足の両方に影響されます16。さらに、進行中および予測される気候変動により、ジャガイモ生産に適した土地の最も重大な損失はアフリカ南部、インドおよび熱帯高地で発生するだろう17,18。したがって、ジャガイモ生産地域の拡大、気候不適な土地や劣化・汚染された土壌の利用など、将来の緊急事態下で世界の食料安全保障を維持するための代替生産システムを模索することが急務となっている。

水耕栽培とは、養液を使って植物を育てる土を使わない栽培方法です。この生産システムは、農地や土壌への依存を排除し、病気の存在を減らし、正確に投与された養液（施肥）を利用して異常気象による悪影響を軽減することができます。点滴施肥を使用すると、肥料と灌漑の必要性が減少するため、窒素浸出損失を大幅に減らすこともできます19。最近、エアロポニックスという、栄養溶液をエアロゾルの形で根域に供給する生産システムの一種が種ジャガイモの生産に利用されています20。ジャガイモのエアロゾルベースの施肥は、地球外基地における生命維持システムの提案戦略として NASA によっても調査されています 21。ジャガイモの塊茎と根が支持ゾーンからぶら下がっている航空栽培とは異なり、水耕栽培、成長培地、または「基質」は最適な根環境を提供し、適切な通気、水、栄養素の供給を確保し、栽培の複雑さを軽減します。伝統的に、無土壌水耕栽培では泥炭またはココナッツコイアが使用されます。針葉樹の樹種から生産される木質繊維は、泥炭やコイアよりも二酸化炭素排出量が少ない、再生可能でリサイクル可能な代替原料です22。この材料は、ジャガイモの成長用の潜在的な培地として初期の実現可能性テストにも供され、有望な結果が示されました 23。

現在の研究の目的は、ジャガイモを裸木繊維で栽培する、代替の水耕栽培ジャガイモ栽培システムを提案することです。このシステムは農地に依存せず、水の損失を削減する可能性があるため、土地資源が限られている地域の食料を改善するツールとして政策立案者によって検討されたり、都市農業従事者によって採用されたりする可能性があります。水耕栽培で生産されるジャガイモの品質は従来の土壌栽培とは異なるという研究仮説が検証されました。システムの技術的な詳細については、簡単に複製できるように説明するとともに、このタイプの生産に関連するいくつかの課題と機会については、将来の改善の可能性について説明します。

方法のセクションで詳細に説明されている水耕栽培システム (図 1) は、実験場でテストされた品種の潜在的な収量を解き放ち、クサノオウ品種 (cv.A) の野外基準よりも最大 300% 多い生重を生産しました。）、育成番号付き品種では最大200％（cv.B;図2a、d）。テストされた 2 つの施肥戦略のうち、1 回の点滴を使用して容器の上部にあるすべての栄養溶液を供給する方法は、2 回の点滴を使用して 2 つのレベルで水と栄養素を提供する方法よりも生物質収量が 30% 高かった。しかし、後者の方法では、乾物含量が大幅に高い塊茎が生産されました（図2b、e）。これは、乾物収量の点で、テストされた 2 つの施肥方法が非常に類似していたという事実に変換されます (図 2c、f)。試験した 3 つの基材間に有意な差は検出されませんでしたが、処理中のかなりの変動に注意する必要があります。 cv.B の収量と乾物含量の両方が cv.A と比較して大幅に低く、後者の市場可能性が高いことを示唆しています。

成長するシステムユニットの輪郭 (a) はユニットの完全な表現ではありませんが、そのコンポーネントをより明確に視覚化するために簡略化されています。水耕栽培実験のレイアウトの写真は、(b) 植え付け後と (c) 収穫前に撮影されました。

生鮮物の収量（パネル：a、d）、乾物含有量（b、e）、および乾物の収量（c、f）は、2つの異なるジャガイモ品種：クサノオウ（a〜c）の植物（n = 3）ごとに表示されます。 ;品種A）および番号付き品種（d〜f;品種B）。生産方法には、フロレンテーズ (F)、ハントン (H)、ピンドストラップ (P) の 3 種類の木質繊維基材を使用した土壌 (S) での圃場管理、および 1 点滴および 2 点点滴の水耕栽培システム (詳細については「方法」セクションを参照) が含まれます。 n はサンプルサイズを表し、箱ひげ図上の異なる小文字は 5% の有意水準での処理間の有意差を表します。箱ひげ図の垂直線は、上位四分位数と下位四分位数の外側の変動を示しており、これらの線の外側にある点は外れ値とみなされます。ボックス上の記号 × はサンプル平均値を示します。小さな円は個々のデータポイントを表します。

塊茎は収穫時に成熟度が低く、野外で栽培したものよりも高い窒素投与量を受けたため、塊茎の乾物含有量は水耕栽培システムでは比較的低かった。この違いは、塊茎のミネラル組成にも反映されました（図3、補足図1）。従来の生産によるより成熟した塊茎では窒素とリンの含有量が低く、一方、カリウム含有量は両方のシステムで同様でした。窒素含有量は 2 つの灌漑方法間で差異がありませんでしたが、リンとカリウムの含有量は差異があり、1 回の点滴灌漑処理でより高いレベルに達しました。繰り返しになりますが、試験した 3 種類の木質繊維間の差異は顕著ではなく、フロレンテーズ基質 (F) は、他の 2 つの基質 (ハントン基質 – H、およびピンストラップ基質 – P) よりもわずかに多くの主要栄養素の供給をサポートする傾向がありました。

乾物中の窒素（N、パネル：a、d）、モリブデン（Mo、b、e）および鉄（Fe、c、f）の含有量は、2つの異なるジャガイモ品種：クサノオウ（a〜c、品種A）について示されています。および番号付き品種（d〜f; 品種B）。生産方法には、フロレンテーズ (F)、ハントン (H)、ピンドストラップ (P) の 3 種類の木質繊維基材を使用した土壌 (S) での圃場管理、および 1 点滴および 2 点点滴の水耕栽培システム (詳細については「方法」セクションを参照) が含まれます。 n はサンプルサイズを表し、箱ひげ図上の異なる小文字は 5% の有意水準での処理間の有意差を表します。箱ひげ図の垂直線は、上位四分位数と下位四分位数の外側の変動を示しており、これらの線の外側にある点は外れ値とみなされます。ボックス上の記号 × はサンプル平均値を示します。小さな円は個々のデータポイントを表します。塊茎のミネラル組成の詳細については、補足図1を参照してください。

微量栄養素の大部分は、水耕システムとフィールドコントロールの両方で同様のレベルでした（補足図1）。 2 つの興味深い例外は、木繊維で生産された塊茎に多く含まれるモリブデンと、野外で栽培された塊茎に多く含まれる鉄です (図 3)。ワンドリップ処理ではより多くの水が塊茎ゾーンを通過し、この方法で生産された塊茎への栄養素の蓄積が増加しました。基質間の違いは顕著ではありません。ただし、栄養素の摂取量がわずかに多いと、F 繊維基質への乾物蓄積が増加します。

水耕実験と野外条件で栽培した塊茎の収量構造には明らかな違いがあり、水耕栽培システムでは最大の塊茎の生産が有利でした（図4a、b）。この違いは、cv.B よりも cv.A の方が明確でした。 cv.Aの従来の生産では、塊茎の約80％が25〜50 gのより小さいサイズのカテゴリーに分類されましたが、水耕栽培では、塊茎はより均等に分布しました（図4a）。 cv.B では、ほとんどすべての塊茎が小さいものとして分類されました (図 4b)。従来栽培の cv.A では最大のジャガイモ (>60 g) が存在しないことがわかりましたが、水耕栽培システムはこのサイズクラスの総収量の最大 20% を生産し、これは総収量の相当部分に相当します (図 1)。 4a)。

2 つの異なるジャガイモ品種: クサノオウ (a、b; 品種 A) における総収量の % で表した塊茎収量分布 (パネル: a、c)、および植物 (n = 3) あたりの g で表した塊茎収量 (b、d)および番号付き品種（c、d; 品種B）。生産方法には、降水量による圃場管理 (P) での天然水の供給のほか、塊茎ゾーンのみ (T) と塊茎ゾーンと根ゾーンの両方 (TR) にそれぞれ導入された 1 つの点滴水耕システムと 2 つの点滴水耕システムが含まれます (詳細については「方法」セクションを参照)。詳細）; n はサンプルサイズを表し、箱ひげ図上の異なる小文字は 5% の有意水準での処理間の有意差を表します。箱ひげ図の垂直線は、上位四分位数と下位四分位数の外側の変動を示しており、これらの線の外側にある点は外れ値とみなされます。ボックス上の記号 × はサンプル平均値を示します。小さな円は個々のデータポイントを表します。スプライン関数は、結果を視覚的に認識しやすくするために、さまざまな処理の中央値を覆いました。

cv.Aでは、2つの灌漑方法間で収量構造に実際の違いは観察されませんでしたが、cv.Bでは、2回の点滴処理によりわずかに大きな塊茎が生成されました（図4a、c）。興味深いことに、2 つの灌漑方法の間には収量分布に違いがありました。 cv.Aの1回点滴生産では、2回点滴灌漑よりも2つの大きな画分で高い収量が得られ、これが2つの方法間の総収量の差を説明しています（図4b）。 cv.Bでは、1回点滴灌漑は最小サイズクラスの塊茎の高収量につながりましたが、2回点滴灌漑法はより大きなサイズの塊茎の生産に有利でした（図4d）。

水耕栽培実験を説明するすべての利用可能な変数は、多変量分類法 (PLS-DA、詳細については方法セクションを参照) を使用して合成されました。結果は、適用された 2 つの灌漑方法の間に明確な違いがあることを示しました (図 5a)。差異はコンポーネント 1 に含まれており、モデル全体の分散の 10% を説明し、灌漑治療グループの最良の識別につながりました。成分 2 は変動の 35% 近くを説明し、主に試験した 2 つの品種間の違いによって影響を受けました。さらなるコンポーネントは、変動のかなりの部分を説明しますが、相関負荷が 0.5 未満であり、予測誤差が徐々に増加したため、モデルに大きな影響を与えませんでした (データは示されていません)。それにもかかわらず、成分 3 は塊茎内のミネラルの蓄積に起因し、成分 4 は基質の品質に起因すると考えられます。

塊茎ゾーンのみ (T) と塊茎ゾーンと根ゾーンの両方 (TR) にそれぞれ展開された 1 点滴水耕システムと 2 点点滴水耕システムを利用した施肥方法の違いを、(a) 部分最小二乗判別分析のスコアプロットを使用して分析しました。 (PLS-DA)。分析された変数の中で最も影響力のある変数は、(b) PLS-DA から計算された VIP スコアを使用して選択されました。 VIP スコアが高いほど、変数がモデルにとってより重要であることを示します。スコアの色分けは、どのクラスが特定の元の変数のより高い値を持っているかを示します。

この分析方法では VIP スコアを利用し、灌漑戦略の影響を受ける最も影響力のある変数を強調表示し、2 つの灌漑方法のどちらが特定の変数のより高いレベルにつながるかを示しました (図 5b)。ワンドリップ灌漑法により、塊茎内のバイオマスとミネラルの蓄積が増加しました。 2 回の点滴灌漑により、塊茎内の過剰な水の蓄積には適さない塊茎ゾーンの条件が提供されました。これらの条件で生産された塊茎は、より高い乾物含有量を持っていました。さらに、根ゾーンはより密であり、利用可能な成長培地の大部分に浸透しました。塊茎ゾーンの水分が少ないと、2 点滴システムで皮膜の膨潤が比較的少なくなり、耐病性が向上します。シルバースカーフは、腫れた皮膜を介して伝染することが知られているため、2 つの灌漑システムを最も区別する病気でした。ワンドリップ法の方が、塊茎内の栄養素の同化により成功しました。カリウム、カルシウム、ホウ素、マグネシウム、亜鉛は、2 つの灌漑方法を最も区別する栄養素でした。この方法で発酵させた袋の塊茎ゾーンは、2 回の点滴で発酵させた袋よりもわずかに深かった。この分析では、2 回点滴灌漑では消費者が好むサイズの 40 ～ 50 g の塊茎の数が増加する一方、1 回点滴方法ではより小さなサイズの塊茎 (25 ～ 40 g) が生産されることも示されました。

実験の結果、植物は塊茎生産のためにコンテナの全スペースを利用しておらず、子孫塊茎は種ジャガイモの周囲にわずか約20〜25 cmに集中していることがわかりました。一方、根は容器全体に伸び、ほとんどが底にありました。一般に、木質繊維ベースの基材での水耕栽培で収穫された塊茎には品質の問題はありませんでした。ただし、一部の塊茎は、数種類の欠陥や病気の発生など、そのシステムの特定の課題を示しました。これらは図6に視覚的に表示され、補足表1にリストされています。

(a) 圃場対照と比較して、観察された塊茎の欠陥および病気には、(b) 大型塊茎 (>60 g)、(c) 変形、(d) 亀裂、(e) 緑化、(f) 内部褐色斑点病が含まれます。、(g) 乾腐病、(h) 変色、(i) 皮膜の肥大、(j) 軟腐病。

野外参照（図6a）と比較して、水耕栽培システムで栽培された一部の塊茎は大きくなる傾向があり（>60 g）（図6b）、平均して総収量の16.4％を占めました（図6b）。 4a)。さらに、塊茎収量の 6% が変形していることがわかりました (図 6c、補足表 1)。水耕栽培システムの根環境に存在する比較的高い温度と湿度の振幅により、一部の塊茎に成長亀裂が偶発的に形成されましたが（図6d）、それは総収量のわずか1％を占めました（補足表1）。 cv.A の一部の塊茎 (収量ベースで 1%) は容器の壁の隣で成長したため、収穫中に部分的に緑色でした (図 6e、補足表 1)。一部の cv.B 塊茎は、紫色の色素が部分的に欠落していることが記録されました (図 6h)。 cv.A の単一塊茎のみが、内部褐色斑点病 (図 6f) や乾燥腐敗病 (図 6g) などの乾燥条件の病気に感染しました。補足表 1 を参照してください。一方、cv.B では、生い茂った皮目（図6i）と軟腐病（約2000年に発症）。 3か月の保管後の塊茎総収量の5％（図6h、補足表1）は、湿った成長条件を示しました。

ここで紹介する木質繊維ベースの基材でのジャガイモの水耕栽培は、土地資源の減少や緊急事態によって徐々に深刻化する、成長を続ける食品市場の不安を軽減するための簡単で拡張可能な解決策です。最近の研究では、人口増加やその他の社会経済的問題により世界の食料需要が増加し続けている一方で、達成可能な最大の作物生産可能性は世界のほとんどの地域でピークに達していることが示されています25。農地はほぼ限界まで利用されており、都市化により肥沃な土地を引き継いだ食料供給がさらに圧迫されています5。さらに、利用可能な農業地域で増え続ける人口に十分な食料を生産することは、エネルギー作物や工業用作物などの非食用作物の市場によって課題にさらされています。彼らは、天然資源、特に水と土地を制限するために食用作物と競合することがよくあります26。一方、持続可能な強化の枠組みでは、農地拡大のための自然生息地のさらなる開発を制限することが求められています。これにより、新たな食料生産現場が消費の中心地から遠ざかる可能性があり、食料安全保障の重要な側面である食料流通が困難になっています。 2050 年までに世界人口の 68% が都市に住むことになると予想されています2。これまで陸地を離れて暮らしていた農村地域から移住する人が増加しています。その結果、何億もの都市居住者が、余剰農産物を加工して流通させる際に、食料消費や収入の一部を都市農業に依存している8。その結果、都市農業は一般に、将来の世界の食料安全保障に重要な貢献をするものと考えられており、それによって食料が水、エネルギー、食料の結びつきの最前線に立つことになる27。したがって、都市農業の規模拡大に対する世界的な関心が高まっており、環境保護、廃棄物管理、エネルギーコスト削減の見通しによって徐々に促進されています28。

都市化地域の肥沃な土地にアクセスできない都市農業では、食糧生産を最適化するために垂直屋内栽培や精密農業などの技術革新が必要です29。しかし、何百万もの小規模農家にとって、環境負荷を最小限に抑えた、シンプルで効率的な代替栽培システムが必要とされています。特定の地域ではシステムのコンポーネントや材料の入手しやすさに問題がある可能性がありますが、地方自治体、国際援助、慈善団体からの支援があれば、商業農場だけでなく小規模栽培者も簡単な水耕栽培食品生産を導入できます。

一般に、閉鎖的な無土壌農業生産は、特定の状況下では従来の生産よりも利点がある可能性があります。水耕栽培システムは原則として気象条件の影響をあまり受けず、適時に水と肥料を投与することで気象条件の影響が軽減され、干ばつによる過剰な降水による悪影響が防止されます。これにより、生産の良好な予測可能性が得られます。水耕栽培塊茎内で観察されたより高い Mo 濃度（図 3b、e）は、水耕栽培システムの使用により、脆弱な社会にとって特に関心のある高カロリー食品の生物強化戦略の直接的な実施の可能性が開かれることを確認しました 30。

この研究で設計およびテストされた水耕栽培システムには、成長培地として木質繊維のプラスチックで包まれた小さな丸い袋が含まれています (図 1)。蒸発率が比較的高い地域にこのようなシステムを導入すると、水の利用効率が向上し、水資源が節約される可能性があります。木材繊維の多孔性が比較的高いため、根の領域に空気が入り込み、高収量の形成が促進されます（図 2）。一方、根域の十分な水分に到達するには、高度な過剰灌漑が必要です。これにより、大量の排水が発生するため、システムのさらなる開発では、水の利用効率を向上させるために、排水を回収してリサイクルする必要があります。

効率的な代替作物栽培システムは、従来のジャガイモ生産を補完し、食品市場チェーンの回復力を支える緩衝材として機能する可能性を秘めています。気候変動により従来の作物が減少したり破壊されたりする可能性があるため、これは特に重要です。たとえば、アフリカ南部と南アメリカでは、最近、乾季と雨季の極端な雨季が発生しています31。これは、エルニーニョ・南方振動、海面水温、陸地と大気のフィードバックなどの地球規模の物理的メカニズムが原因であると考えられています32。このような気温と降水パターンの変化は、食料生産に影響を与える可能性のある異常気象を引き起こす可能性があります33。

伝統的に、無土壌水耕食品生産では、さまざまな作物に泥炭やココナッツコイアなどの有機基質、またはトマト、ピーマン、キュウリなどの高価値作物の専門的な生産に通常使用されるロックウールなどの鉱物基質が使用されます。これらの基質は、適切な通気、水の利用可能性、栄養素の供給を確保することで最適な根環境を提供しますが、その生産には高い二酸化炭素排出量が伴います34。一方、ここでジャガイモ栽培用に提案されている基材である木質繊維は、再生可能でリサイクル可能な原材料です。これは、培地産業で利用される利用可能な原材料の中で二酸化炭素排出量が最も低く、植物生産のための重要な成長培地としての示唆がますます高まっています 22,34。

木質繊維は、水耕植物生産用の既知の有機基質の中で最も高い多孔性を特徴とし 22、これにより浸水が防止され、精度の低い施肥戦略が適用される場合でも根や塊茎の成長に最適な条件が形成されます。木材繊維のかさ密度が比較的低く、多孔性が高いため、塊茎周囲の酸素濃度が高くなり、ジャガイモ植物の潜在的な収量を実現し、生産性を向上させることができます22。最近の研究 35 で、著者らは塊茎のミネラル組成が生産システムの種類 (従来型か水耕栽培か) によって影響を受ける可能性があることを観察しました。例えば、水耕生産システムで栽培した塊茎ではより高い濃度のリンが見出されており、これは本研究と一致している。泥炭やコイアなどの他の有機培地とは対照的に、木繊維の緩衝能力は低いため、生産者は根域の pH や、たとえば生物強化の目的で利用できる特定の栄養素の摂取を比較的簡単に制御できます 30。この事実により、本研究と Liszka-Skoczylas らの研究では、pH の違いが多量栄養素の摂取量の変化に関与している可能性があります 35。さらに、解繊プロセスで生成される木材繊維は無菌であるため、土壌伝染性の病気による圧迫が最小限に抑えられます22。さらに、収穫時に塊茎を基質から分離するのは簡単で、塊茎を流水ですすぐだけですぐに摂取できます。興味深いことに、使用済みの繊維ベースの生育培地は、数回の生育サイクルで使用される可能性があります 36。そうでない場合、残りの繊維ベースの基質は、残留塩（栄養素）の含有量により、植物生産後に燃料または土壌添加剤として利用することができます。

このシステムの有用性は、持続可能な木材資源が限られ、人口が密集した熱帯地域で最も優れていると予想されますが、私たちは繊維の生産に地元の木材種を使用することを推奨しません。通常、高緯度で生育する針葉樹は、水耕栽培用の繊維の生産に適していることが証明されています22。通常、製造後の木材繊維は比較的乾燥しているため、圧縮して輸送できるため、二酸化炭素排出量が低くなります。あるいは、ススキなどの他のバイオマス成分を成長培地としてうまく利用することもできます 37。さらに、都市部では、ハンマーミルで加工された産業廃棄木材（パレット、家具産業からの未処理木材など）が、培地生産を拡大するための潜在的な持続可能な原料源として考慮される可能性があります。

提示された生産システムは、実際に簡単に実装することを目的としたシンプルなローテク設計です。木材繊維が供給されるため、農家はビニール袋に栽培培地を入れて圧縮する必要があります。繊維の圧縮とバッグの外側のプラスチックの白色は、高温と湿気の振幅を制限するために提案されています。

種子塊茎は、袋の側面に切り込みを入れて作られたポケットに植えられています。これは、当初のアイデアは、省スペースの垂直栽培のために袋を重ねて置くことが可能かどうかをテストすることでした。私たちは、深く播種した塊茎が匍匐茎の発達を妨げ、将来の収量を減少させることに気付きました。これは、匍匐茎の一部がビニール袋の下で必ず成長するためです。実際には、プラスチックのカバーの下から匍匐茎を手動で引き出す必要がある場合があります。このシステムはリサイクルされるべきプラスチック包装に基づいていますが、世界のさまざまな地域ではこれが難しい場合があります。このシステムのさらなる発展では、この種の生産による環境への影響を軽減するために、単純なビニール袋を再利用可能な防水シートや堆肥化可能なプラスチック製の包装に置き換えることが提唱されています。

私たちの実験では温室グレードの業界標準の施肥システムを利用しましたが、木質繊維の水耕栽培には多額の設備投資は必要ありません。最も安価なダイアフラムポンプ、ベンチュリバルブ、サイクリックタイマースイッチは、世界市場でそれぞれ 5 ドル、5 ドル、3 ドル程度で購入できます。実装の規模によってポンプと配管のサイズが決まります。給水ホースと点滴バルブのコストは、バッグあたり 0.5 ドルと推定されます。教授によれば、米国 NCSU の BE Jackson 氏によると、ほとんどではないにしても、多くの木質製品は、従来の基材材料に代わる非常に競争力のある、またはより安価な代替品を提供しています。」38。この研究では、木質繊維のコストは、栽培バッグあたり 2 ドルと推定されています。生育サイクルごとに 1 袋に与える肥料の量は、硝酸カルシウムアンモニウムで約 0.2 kg、複合肥料で約 0.2 kg と推定され、その費用はおよそ 1 ドル未満です。実際には、肥料と生育培地の価格は大きく左右されます。購入の規模と地域および世界市場の変動に加えて、電力と水の供給も考慮する必要があります。

システムの実装に関係なく、初期の成長は種芋を湿った状態に保つことに依存するため、種芋の上に灌漑点滴を適切に配置することが重要です。さらに、特定の灌漑レベルでは、単一の点滴位置が基材プロファイル全体の高湿度に有利に作用し、すべての液体が塊茎ゾーンを通って輸送されます。塊茎と根域の両方に同じ灌漑レベルを供給すると、地上バイオマスの成長と塊茎が直接さらされる水の量が制限され、その結果、塊茎の乾物が増加します（図2b）。生の収量は 1 点滴灌漑に比べて相対的に減少しますが (図 2a)、乾燥収量は比較的同様のレベルです (図 2c)。テストされた水耕栽培システムは、フィールド基準よりも約 300% 高い収量を達成しました。これは、根の酸素化と栄養素の利用可能性がより高いことに起因すると考えられます。 Stoian ら 39 は、水耕栽培システムで栽培されたサツマイモに関する研究で、酸素化レベルを向上させる栽培培地の質感が収量形成にプラスの影響を与える可能性があることも観察しました。現場参照と比較して、木材繊維の水耕栽培で観察される大型で変形した塊茎の割合が比較的高い（図 6、補足表 1）のは、バッグ内の繊維の圧縮が最適ではないことに起因する可能性があり、調整によって減少する可能性があります。施肥戦略、より高いレベルの圧縮、または異なるテクスチャーの栽培用培地の使用。

結論として、提案されたシステムは、同等の塊茎乾物含有量と栄養価（ミネラル組成）を備えた野外基準よりもはるかに高い収量を達成できる、高品質の食用ジャガイモの集中生産のためのソリューションを提供します。この設計により、リソースが限られている領域でも、生産の簡単な実装と拡張性が可能になります。このような生産には、種子塊茎の正確な配置の重要性、バイオマス生産量の増加による生産サイクルの長期化、塊茎ゾーンの湿気の増加による塊茎変形のリスクなど、いくつかの課題が指摘されています。 2 つの異なる灌漑計画が提案されました。1 つは収量と栄養素含有量を最大化し、もう 1 つは乾物含有量を最大化し、塊茎の欠陥を最小限に抑えるものです。さらに、水耕栽培の特性により、木質繊維を利用したシステムは、塊茎の pH および主要栄養素および微量栄養素の組成を正確に調整できる可能性があり、生物強化にも使用できます。

ノルウェー南東部（北緯60度42度、東経10度51度、海抜260メートル）にあるNIBIOアペルスヴォル研究基地で行われた実験のために、2つのジャガイモ品種が選択されました。最初のジャガイモであるクサノオウは、しっかりとした食感を持つジャガイモで、塊茎の数が多く、いくつかの病気、特に一般的な黒星病に対して優れた耐性を備えた、楕円形で長く形成されたおいしい調理用ジャガイモの代表として選ばれました。もう 1 つの品種は、Graminor (Graminor、Staur、Norway) が実施したノルウェーのジャガイモ育種プログラムから後期選抜された品種 (G09-1057) で、乾物ポテンシャルが比較的低いこと、珍しい形と色 (紫色である) のため、この研究で選ばれました。皮と肉）。

この研究では、水耕栽培システムが設計され、実装されました。 2021年6月3日に3本の種塊茎を、約100gの塊茎を満たしたランダムに配布されたビニール袋に植えました。 50 L の木材繊維で、高さ 35 cm (約 1.15 フィート)、直径 45 cm (約 1.48 フィート) の円筒形の生育空間を形成します。新しい塊茎が均等に利用できるスペースを確保し、塊茎が袋の壁に沿って成長するのを防ぐために、袋の上側部分に開けられた比較的深い穴（5〜10 cm）に種子塊茎を置きました（図1a）。各治療は 3 回の反復で表されました。バッグは互いの間隔を 80 cm (2.62 フィート) にして配置し (図 1b)、グリーンバイオマスの高い生産が期待できるスペースを確保しました (図 1c)。市販の 3 種類の木材繊維をテストしました。解繊法を使用してノルウェースプルース (Picea abies) から製造されたハントン繊維 (H) (Fibergrow、ノルウェー、ハントン)、および Pindstrup 繊維 (P) (デンマーク、Forest Gold、ピンストラップ)およびフロレンテーズ繊維 (F) (フロレンテーズオルティパン、フランス)、両方とも高圧蒸気法を使用してスコットランド松 (Pinus sylvestris) から製造されます。栄養溶液は、水耕栽培品質グレードの肥料である Kristalon Scarlet と Calcinit (Yara、Norway) を 1:1 で混合することによって調製されました。溶液を点滴灌漑によって分配し、１．２Ｌｈ−１を提供した。水耕栽培は、1 日 3 回 (8:00、12:00、16:00) 7 分間隔で、導電率 1 デシジーメンス/メートル (dS m-1; EC1) の施肥溶液を使用して開始されました。季節の天候変化と作物のバイオマスの成長に対応するため、2021 年 7 月 16 日から溶液の EC が 1.8 に上昇し、1 日 4 回、10 分間隔で植物に施肥するために使用されました。 2021年8月16日からECは1.5に低下し、施肥計画は2つの治療法に分割されました。最初の処理では、バッグの上部に 1 回の点滴を行い (T)、灌注間隔は 12 分で、2 回目の処理では、バッグの上部と中央に 2 回の点滴を行い (TR)、受精を行います。各点滴から6分間隔。その結果、どちらの処理でも同じ量の養液が供給され、季節ごとに植物あたり約 10 g の窒素が供給されました。実験は、104 日間の生育期と 910.5 生育度日 (GDD、基準温度 7 °C) を経て、2021 年 9 月 14 日に終了しました。

参考用にジャガイモも畑で育てていました。両品種の塊茎は、調査地域における典型的な植え付け時期である2021年5月31日に、事前に準備した圃場(深さ12cm、列内30cm、列間距離80cm)に植えられました。この畑は、ノルウェーの主要なジャガイモ生産地域の 1 つであるオストレトーテン郡にありました。圃場はかなり平坦な地形で、水はけの良いエンドスタニックカンビソル (IUSS Working Group WRB, 2006) 上に配置され、ローム質とシルト質の砂のテクスチャーを持ち、モレーンから堆積物まで発達し、土壌有機物含有量は 44 g kg-1、バルクでした。密度は 1.3 Mg m-3、水中で測定された pH は 6.5 でした。塊茎は、108 日間の生産後、2021 年 9 月 15 日に参照畑からランダムに収穫され、944.7 GDD を受け取りました。畑には合計 100 kg N ha-1 (= 833 kg NPK 12-4-18+micro) を施肥しました。畑には分割施肥を行い、植え付け時に総用量の 70% を与え、残りの用量は植え付け 30 日後に与えました。ミネラル肥料は、季節ごとに植物あたり約 2.5 g の N を提供します。野外で疫病（Phytophtora infestans）や真菌によって引き起こされるその他の病気を防除するために使用される戦略には、適用数を決定するための Naerstads モデルの使用が含まれていました 40。耐性の発現を避けるために、さまざまな殺菌剤 (サイモキサニル、プロパモカルプ、シアゾファミド、マンジプロパミド、ジフェノコナゾール) を単独製品とブレンドの両方で生育期全体にわたって 8 回使用しました。しかし、水耕栽培実験では、病害圧が低いため、メタラキシル、マンジプロパミド、シアゾファミドの施用は 3 回のみでした。降水量が少ない時期には、シーズン中に 4 回、スプリンクラーシステムを使用してジャガイモ畑に灌漑を行い、1 回の灌漑イベントにつき最大 20 mm の水を受け取りました。

2 つの生産システムを簡単に比較できるように、水耕栽培と野外実験の両方を同時に収穫しました。現地の慣例によれば、畑の歩道にある植物の新芽バイオマスは化学的に死滅したため、植物ごとの新芽の数、新芽の長さ、および新芽の新鮮なバイオマスは、バイオマスが保存されていた水耕栽培試験についてのみ記録されました。塊茎の品質（生い茂った皮目に関して）、緑色バイオマスおよび基質（水分、根域の品質および塊茎域の深さに関して）を記録した。予想外に、基質試験での収量が非常に高かったため、単一植物の収量を分離することはできませんでした。したがって、ジャガイモ塊茎収量は 3 つの植物ごとに測定されました。塊茎を 25 ～ 40 mm、40 ～ 50 mm、50 ～ 60 mm、および >60 mm の 4 つのサイズの画分に分け、各画分の塊茎を数えて重量を測定しました。次に、結果が単一の植物ごとに再計算されました。乾物含量を水上および水下の重量によって決定し、塊茎の比重を決定した。次の方程式を使用して乾物含有量を計算しました: 乾物 = 215.73 * (x − 0.9825)、ここで、x は空気中の重量 * (空気中の重量 − 水中の重量) − 1 として計算された比重です。 4 °C、相対湿度 90 ～ 95% で 3 か月間保管した後、NIBIO の訓練を受けたスタッフによって従来の塊茎品質分析が行われました。これには、24 で説明されているさまざまなジャガイモの病気の視覚的判定や、塊茎の重量の記録が含まれていました。各サンプルの塊茎は選択された病気、つまり軟腐病、乾燥腐病、褐色斑点に罹患しています。および欠陥、すなわち、緑色の塊茎、亀裂、変形、変色。

ジャガイモ塊茎の元素分析は商業研究所 (Eurofins、ワーヘニンゲン、オランダ) によって実施されました。 NH4、NO3、Cl は社内の方法で分析され、塊茎中の多量栄養素 P、K、Ca、Mg、S および微量栄養素 B、Cu、Fe、Mn、Zn の含有量は誘導結合法によって分析されました。研究室の社内プロトコルを使用したプラズマ発光分光法 (ICP-OES)。

データ分析は、Weissgerber et al.41 および Amrhein et al.42 によって提案されたデータ表示パラダイムに従いました。データセットが比較的小さいため、すべてのデータポイントが図に示されています。分析の前に、データ分布の正規性が Anderson-Darling 検定によって検証されました。正規分布データについては、一元配置分散分析 (ANOVA) を実行してグループ間の差異の有意性を決定し、さらにフィッシャー事後検定を適用して治療を比較しました。非正規データ分布の場合は、ノンパラメトリックなクラスカル・ウォリス検定が使用されました。研究内のすべての変数の多変量解析は、部分最小二乗判別分析 (PLS-DA) を使用して実行され、データ内のグループを識別することでデータのパターンを調査し、そのような識別を引き起こす主要な変数を特定しました。 PLS メソッドは VIP スコアと呼ばれます。分析は、MiniTab 統計ソフトウェア (バージョン 17.2.1、MiniTab、MiniTab Inc.、ペンシルバニア州、米国) および R Statistical ソフトウェア (バージョン 4.1.3、R Foundation for Statistical Computing、ウィーン、オーストリア) と RStudio (バージョン 2022.02. 2 Build 485、RStudio、RStudio Inc.、ボストン、米国）。

研究デザインの詳細については、この記事にリンクされている Nature Portfolio Reporting Summary を参照してください。

この研究で報告された発見を裏付ける生データは、責任著者からの要求に応じて入手できます。

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この研究は、ノルウェー農業協定研究基金/農産物研究税基金（助成金番号 302129）およびグロフォンデ（助成金番号 190024）の資金提供を受けた SUBTECH プロジェクトで実施されました。ノルウェー生物経済研究所によって提供されたオープンアクセス資金です。著者らは、NIBIO アペルスヴォル研究ステーションの技術スタッフである Else Karin Linnerud、Robert Nybraaten、Kristian Saether、Mirjana Sadojevic の研究支援に感謝します。

農業技術部門、精密農業センター、ノルウェー生物経済研究所、カップ、ノルウェー

クシシュトフ・クスニエレク

園芸学部、ノルウェー生物経済研究所、カップ、ノルウェー

ピア・ヘルトフト、パー・ヤール・モラーハーゲン、トマシュ・ウォズニッキ

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KK と TW は研究を概念化し、資金を獲得し、統計分析を実行し、原稿の草稿を書きました。 KK がビジュアライゼーションを作成しました。 KK、PH、PJM、TW は資料、方法論を提供し、データ収集に貢献しました。 KK、PH、PJM、TW は結果を解釈し、原稿を修正しました。すべての著者は原稿の出版版を読み、同意しました。

対応はクシシュトフ・クスニエレクまたはトマシュ・ウォズニツキ。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

発行者注記 Springer Nature は、発行された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保っています。

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転載と許可

Kusnierek、K.、Heltoft、P.、Møllerhagen、PJ 他。食料安全保障のための木質繊維によるジャガイモの水耕栽培。 npj サイエンスフード 7, 24 (2023). https://doi.org/10.1038/s41538-023-00200-7

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受領日: 2022 年 9 月 30 日

受理日: 2023 年 5 月 23 日

公開日: 2023 年 6 月 3 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41538-023-00200-7

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