超音波によるプライミングと発芽

• 超音波による種子プライミングは、種子に水と栄養素を補給し、発芽を刺激するための有用な播種前処理技術です。
• 超音波処理は、種子の休眠を打破し、発芽特性を改善する効率的な技術です。
• Hielscherの超音波装置は、種子の発芽とプライミングで信頼性の高い結果を得られるよう、精密に制御できます。

超音波による種子プライミング、発芽および芽の成長

超音波による種子プライミングとは、水またはその他の適切な栄養溶液中で、約20 kHzの超音波を種子に照射し、発芽と初期成長を促進する処理を指します。速やかな発芽と出芽は、植物や作物の定着を成功させるための重要な要因です。休眠打破と発芽刺激は、植物の実生の増殖と早期生産に重要です。水、栄養溶液または浸透圧調整溶液中で種子を超音波処理すると、発芽率と発芽速度が向上し、未処理の種子よりも高い発芽割合を示します。

超音波処理したレンズ豆（40Ws/g、使用機器： UP200St）と超音波処理していないレンズ豆の比較：超音波処理したレンズ豆は、より高い発芽率とより長い芽を示しています。

超音波による種子プライミングの利点

約20kHzの強力な超音波は、種皮だけでなく、物質移動や細胞内の過程にも大きな影響を与えます。以下では、超音波処理が種子に及ぼす主な作用と、それに伴う利点について詳しく説明します。

• 発芽率の向上： 超音波による種子プライミングは、種子の休眠を打破し、吸水量を増やし、種子の成長を促す酵素を活性化することで、種子の発芽率を改善できます。これは、超音波処理によって、貯蔵栄養素の分解と発芽の開始を担う種子内の酵素を活性化できるためです。
• 吸水量の増加： 超音波処理は種皮や細胞壁に孔を形成でき、その結果、種子の水に対する透過性を高め、水と栄養素の取り込みを改善できます。これにより、プライミングした種子は、特に乾燥した土壌や栄養素が乏しい土壌で有利になります。
• 出芽の促進： 種子プライミングのための超音波処理は、実生が土壌から出芽するまでの時間を短縮でき、作物の迅速な定着が求められる状況で特に有益となる可能性があります。超音波は、種皮を分解して水の透過性を改善し、種子の膨潤と発芽を促すことで、種子の休眠を打破できます。
• 実生の成長促進： 超音波による種子プライミングは、根、茎、葉の発達を促すことで、実生の成長を刺激できます。その結果、より丈夫で健康な植物となり、収量の向上につながる可能性があります。
• 実生のストレス耐性の向上： 超音波による種子プライミングは、干ばつ、塩分、高温などの環境ストレス要因に耐える実生の能力を高めます。
• 実生の枯死率の低減： 超音波による種子プライミングは、均一な発芽と初期成長を促すことで実生の枯死率を低減でき、出芽の不均一や生育不良による実生の損失を防ぐのに役立つ可能性があります。

こうした好ましい作用により、超音波で誘導される種子プライミングと発芽は、作物の品質と生産量を改善し、発芽の成功率を高め、生産コストを削減し、農業の持続可能性を向上させます。

シロイヌナズナ種子の走査電子顕微鏡（SEM）画像。
a–c 24°Cで30sec超音波処理した種子。
d, e 乾燥種子、f, g 4°Cの水中に4日間置いた種子、
h, i, 発芽した種子。
画像および研究：©Lopez-Ribera et al. 2017

超音波によるプライミング

マンニトールやポリエチレングリコールなどの浸透圧調整溶液中（オスモプライミング）、塩類溶液中（例：CaCl₂、NaClまたはCaSO₄）（ハロプライミング）、および水中（ハイドロプライミング）で行う種子プライミングは、超音波の適用によって容易に改善できます。超音波によって誘導される種子の外殻の断片化、孔の形成、孔径の拡大は、種子や穀粒の水と栄養素の保持能力を高め、水和の改善につながります。超音波処理は種子と周囲の溶液との間の物質移動を改善し、その結果、種子への溶液（すなわち水、栄養素など）の取り込みが増加します。超音波支援プライミングは、種子の浸透圧調節能力を高め、ストレス条件下での種子の発芽、実生の定着、作物生産を促進するための、経済的で簡便かつ安全な技術です。
さらに、超音波処理は、超音波処理によるデンプンの分解などの胚乳改変を引き起こし、種子内の酵素触媒による加水分解反応の速度を高めます。超音波処理の結果、酵素活性と加水分解が増加し、発芽と胚の成長が促進されます。
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種子プライミングと発芽のための超音波処理装置

Hielscher Ultrasonicsは、ハイドロプライミング、オスモプライミング、ハロプライミングを含む種子プライミングを改善する超音波装置を提供しています。R+Dおよび実験室作業向けの小型超音波処理装置では、最適な超音波処理パラメータの試験と確立が可能です。一方、産業用超音波装置は、商業的に流通する種子の大規模処理に導入され、扱いやすく高効率なフロースルー方式の超音波プライミング処理を実現します。
超音波処理によって種子の発芽を改善するには、精密に制御および調整できる超音波システムが必要です。超音波は植物細胞の生理活動を刺激するために使用されるため、超音波処理の強度は、種子の種類と栽培品種に合わせて調整する必要があります。Hielscherの超音波システムは、低い振幅に設定でき、最適な発芽と活力を得るための種子プライミングに必要なキャビテーションおよび／または振動を与えます。種子処理は、バッチ方式でも連続フロー方式でも行えます。幅広いアクセサリにより、既存施設への超音波の導入が容易になります。
Hielscherの超音波システムは、播種後の実生が高い生育能力を発揮する可能性を高めます。

文献／参考資料

• Yaldagard M.; Reza Mortazavi S.A.; Tabatabaie F. (2008): 大麦種子の発芽を加速・促進するプライミング技術としての超音波の適用：タグチ法による方法の最適化。 Journal of The Institute for Brewing Vol. 114, Issue1, 2008. 14-21.
• Godlewska, K.; Biesiada, A.; Michalak, I.; Pacyga, P. (2020): 超音波支援抽出によって得られた植物抽出物が、管理条件下で栽培された結球キャベツ（Brassica Oleracea L. Var. Capitata L.）の実生に及ぼす影響。 Sustainability 2020, 12, 1871.
• Ranjbari, A. & Kashaninejad, Mahdi; Aalami, Mehran; Khomeiri, Morteza; Gharekhani, Mehdi (2013): 超音波前処理がヒヨコマメ（Cicer arietinum）の吸水特性に及ぼす影響。 Latin American applied research 43, 2013. 153-159.
• Nazari M.; Eteghadipour M. (2017): 超音波が種子に及ぼす影響：ミニレビュー。 Agri Res & Tech Volume 6 Issue 3 – April 2017.