プラズマ活性化水、メラトニン、およびナノ亜鉛の同時処理に対する Cannabis sativa L. の成長と二次代謝産物の変化

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Cannabis sativa プラズマ活性化水 メラトニン ナノ亜鉛 二次代謝産物

学術的背景

産業用大麻（Cannabis sativa L.）は、カンナビノイド、テルペノイド、フラボノイドなどの豊富な二次代謝産物を持ち、医薬品や産業分野で広く活用されています。特に、テトラヒドロカンナビノール（THC）とカンナビジオール（CBD）は、それぞれ精神活性作用や抗炎症、抗不安、神経保護作用など、顕著な薬理活性を示します。しかし、産業用大麻の二次代謝産物の生産量は、さまざまな環境要因に影響を受けます。従来の化学肥料の使用は生産量を向上させることができますが、環境への負荷が懸念されます。そのため、産業用大麻の成長と二次代謝産物の生産を最適化するための、環境に優しく効率的な代替方法の探求が研究の焦点となっています。

近年、プラズマ活性化水（Plasma-Activated Water, PAW）、メラトニン（Melatonin, MT）、およびナノ酸化亜鉛（Zinc Oxide Nanoparticles, ZnO-NPs）が、植物の成長調節や二次代謝産物の蓄積において潜在的な効果を示しています。PAWは、活性酸素および窒素種（RONS）を生成することで、植物の成長と二次代謝産物の合成を促進します。MTは植物ホルモンとして、植物の生理的および生化学的プロセスを調節します。ZnO-NPsは、養分吸収と抗酸化酵素活性を向上させることで、植物の成長とストレス耐性を強化します。しかし、これら3つの物質の組み合わせが産業用大麻に及ぼす影響については、まだ体系的に研究されていません。そこで、本研究では、PAW、MT、およびZnO-NPsの併用処理が産業用大麻の成長と二次代謝産物の生産に及ぼす影響を探ることを目的としています。

論文の出典

本論文は、Hakimeh Oloumi、Fatemeh Nasibi、Zakie Poorsheikhali、およびLeila Malekpourzadehによって共同で執筆されました。著者らは、イランのケルマン先進技術大学院大学の生態学部とケルマン・シャヒード・バホナール大学の生物学部に所属しています。論文は2025年3月26日に受理され、『Bionanoscience』誌に掲載されました。DOIは10.1007/s12668-025-01917-3です。

研究のプロセス

1. 実験設計と材料の準備

本研究は、完全無作為化ブロック設計を用いて、2023年にイラン・ケルマン先進技術大学院大学の温室で実施されました。実験では、イラン・エスファハーンのPakan Bazr社から提供された産業用大麻の品種「Mashhad」の種子を使用しました。種子は次亜塩素酸ナトリウムで消毒された後、蒸留水に24時間浸漬し、酸洗浄した土壌に深さ2 cmで播種しました。温室条件は、16時間の日照と8時間の暗期に設定され、完全栄養液で灌漑されました。

2. プラズマ活性化水（PAW）の調製と分析

PAWは、自作のプラズマ反応器を使用して生成されました。反応器は、2つの同軸円筒電極を使用し、電極間隔は5 mmで、外側の電極はPyrex管の表面に誘電体として取り付けられました。反応器は、高圧直流パルス（200 Hz）で動作し、ガス流量はデジタル流量コントローラーで調整され、99%純度の酸素が供給されました。PAWサンプルは、蒸留水をプラズマ反応器に10分間および20分間曝露することで調製されました。活性酸素種の濃度は、分光計（Avantes AvaSpec）と紫外線光源（Bloorazma重水素ランプ）を使用して測定されました。

3. MT、ZnO-NPs、およびPAWの処理

植物が3〜4枚の葉を展開した時点で、植物を2つのグループに分けました。一方のグループには12 ppmのMTを噴霧し、もう一方のグループには蒸留水を対照として使用しました。MT処理は5日間隔で3回行われました。その後、各グループの植物に、0、5、および10 ppmのZnO-NPs処理と、10分間および20分間のPAW処理を施しました。PAWとZnO-NPsの処理も5日間隔で2週間続けられました。

4. 成長および生理パラメーターの測定

植物の収穫後、根長、茎長、生重量、および乾燥重量を測定しました。葉の相対含水量（RWC）は浸漬法で測定し、膜安定性指数（MSI）は電気伝導度法で測定しました。総クロロフィル含量は、携帯型クロロフィル計（SPAD-502+）を使用して測定しました。

5. 二次代謝産物の分析

フェノール化合物とフラボノイド含量は、それぞれFolin-Ciocâlteu試薬法とアルミニウムクロリド比色法で測定しました。アルカロイド含量は、エタノール/酢酸抽出法で測定しました。CBDとTHC含量は、高速液体クロマトグラフィー（HPLC）法で測定しました。

主な結果

1. 成長パラメーターの顕著な向上

併用処理により、産業用大麻の根長、茎長、生重量、および乾燥重量が著しく向上しました。MT、10分間PAW、および5 ppm ZnO-NPs処理により、根長は184%増加しました。一方、MT、20分間PAW、および10 ppm ZnO-NPs処理により、茎長と茎乾燥重量はそれぞれ79%と81%増加しました。

2. 生理パラメーターの改善

20分間PAW処理により、葉の相対含水量（RWC）は32%増加し、膜安定性指数（MSI）は25%向上しました。MTと5 ppm ZnO-NPsの併用処理により、総クロロフィル含量は44%増加しました。

3. 二次代謝産物の増加

MTと20分間PAW処理により、総フェノール化合物は65%増加しました。一方、10分間PAWと10 ppm ZnO-NPs処理により、アルカロイド含量は86%増加しました。CBDとTHC含量も顕著に増加し、特にMTと10分間PAWおよび5 ppm ZnO-NPsの併用処理により、THC含量が最高値に達しました。

結論

本研究は、PAW、MT、およびZnO-NPsの併用処理が、産業用大麻の成長と二次代謝産物の生産を相乗的に促進することを示しました。この併用処理は、植物の生理パラメーターを著しく向上させるだけでなく、特にCBDとTHCの含量を大幅に増加させました。この研究結果は、産業用大麻の環境に優しい効率的な栽培方法を提供し、農業および医薬品分野での重要な応用価値を持つと考えられます。

研究のハイライト

  1. 相乗効果：PAW、MT、およびZnO-NPsの併用処理が産業用大麻に及ぼす影響を初めて体系的に研究し、3つの物質の相乗効果を明らかにしました。
  2. 環境に優しい効率性：従来の化学肥料に代わる環境に優しい方法を提供し、環境負荷を低減します。
  3. 二次代謝産物の最適化：産業用大麻のCBDとTHC含量を著しく向上させ、医薬品原料としての高品質化に貢献します。

その他の価値ある情報

本研究の限界は、温室条件下でのみ実施された点にあります。今後は、圃場試験での結果を検証する必要があります。また、研究は葉に焦点を当てていますが、茎、花、種子などの他の組織にも拡大し、併用処理の効果を包括的に評価することが今後の課題です。