植物

Sep 06, 2023

Nature Food volume 4、pages 148–159 (2023)この記事を引用

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59 オルトメトリック

メトリクスの詳細

食品ロスを削減する持続可能な実践は、世界の食糧安全保障を強化するために不可欠です。土壌伝染性病原体から作物を保護するための「ラップして植える」種子処理プラットフォームを報告します。バナナの収穫で得られる豊富な廃棄物と、化学薬品を使用しないパルプ化によって古い段ボール箱をリサイクルして開発されたこれらの紙のような生分解性シードラップは、調整可能な完全性と充填部分の生物学的利用能を示します。これらのラップは、サハラ以南アフリカの「ヤムイモベルト」におけるこの主要作物の主要生産国であるベナンで、ヤムイモ (Dioscorea cayenensis-rotundata) 種子片の線虫防除に使用されました。超低容量アバメクチン（1/100 ≤ 市販製剤）を配合した当社のシードラップは、2015 年から 2018 年にかけてさまざまな場所で収量を大幅に増加させながら、ヤムイモ線虫（Scutellonema bradys）の個体数を一貫して制御しました。収穫後の塊茎の重量減少と亀裂の大幅な減少が、3 か月および 5 か月の保管後に観察され、ラップと植物処理に対する価値、栄養、および関係者の好みの増加に貢献しました。

急激に増加する人口に対して世界の食料供給を持続的に強化する必要があるため、農業セクターは食料生産に対して総合的なアプローチを採用する必要があります。これは、サハラ以南アフリカ (SSA) など、小規模農業が多数を占める地域に特に当てはまります 1、2、3。 SSA の人口は 2100 年までにほぼ 3 倍に増加すると予想されています (参考文献 3)。しかし、その農業生産性は追いついていません4。その原因は、好ましくない気候変動、土壌の肥沃度の低下、継続的な栽培、病原菌の圧力、そして人口の約80%を占める小規模農家の知識と資源の欠乏が大部分にある5、6、7、8、9。さまざまな塊茎作物や根菜類の中でも、ヤムイモ (Dioscorea rotundata および D. alata) は西アフリカでは非常に貴重であり、何百万もの小規模農家の経済的運命に影響を与えています10、11、12、13、14。さまざまな気候、文化、教育的要因がヤムイモの収穫量と品質を決定します11。さらに重要なことに、作物の 17 ～ 50% が植物寄生線虫 (PPN) によって毎年失われます 13,15,16,17。

PPN、特に根こぶ（Meloidogyne spp.）、ヤムイモ（Scutellonema bradys）および病変（Pratylenchus spp.）13,14,18は、主に入手可能な手頃な防除オプションが不足しているため、ヤムイモの作物価値の低下に大きな役割を果たしている6,9。、11．ヤムイモの線虫 S. bradys は、ヤムイモの植栽に遍在しているため、おそらく最も重要な寄生虫です 14。ヤムイモの移動性内部寄生虫（土壌だけでなく根や塊茎にも発生する）であるため、ヤムイモの種子片とともに地域的に輸送されるのが一般的である 18,19。保存されたヤムイモ内での継続的な繁殖は貴重な食料品の損失につながり、また、ヤムイモの種子片ストックは寄生され保存された塊茎から得られるため、植え付け時の線虫の個体数密度にも寄与します 13,19,20。 PPN の植栽前の密度は作物の収量と負の相関がありますが、ヤムイモ - Scutellonema の病態系では、初期の線虫密度は、植栽時の土壌ではなく、種子片内の線虫に起因することがよくあります 21,22。

作物の成功には、早期の PPN 保護が不可欠です。殺線虫剤の散布方法の 1 つは種子処理によるもので、ブロードキャストまたは列内散布と比較して有効成分 (AI) の量を減らし、PPN を作物の根域のみでより高い AI 濃度に曝露し、非標的効果と影響を大幅に低減します。環境への影響23. 費用対効果が高く、生分解性の送達剤のさまざまなオプションを模索する私たちのこれまでの研究では、バナナ (Musa acuminata) の収穫廃棄物から化学薬品を使用しないルートで開発された紙状マトリックスの有望な特性が、低分子の制御された標的送達のプラットフォームとして有望であることが示されています8。、24、25。バナナ繊維 (BF) は、その豊富さ、費用対効果、組成、耐久性に加えて 24、26、27、28、29、独特の三次元開多孔質階層構造と比較的低い密度により、小分子を充填するための理想的な基材となっています。ここでは、種子/種子片のラップとして放出制御生分解性マトリックスを持続的に生成するための独自の「ラップアンドプラント」(W&P) プラットフォームを紹介します。 BF の強度と剥離プロファイルを微調整するために、最も消費量の多い紙の 1 つである板紙から開発された、リサイクルされた古い段ボール (OCC) 包装材を利用しました30、31、32、33、34、35。適切な組成を決定した後、2015 年から 2018 年にかけて、ベナンの 3 つの異なる地区で行われた複数の圃場試験で、超低量の殺線虫剤アバメクチン (Abm) を含むものと含まないもので、これらのマトリックスをヤムイモの種子ラップとして利用しました。ベナンは 5 つの主要なヤムイモの 1 つです。世界中のヤムイモの約 92% を生産する西アフリカ諸国 (「ヤムイモベルト」) を生産しています10。シーズン初期の防除が主に S. bradys によって引き起こされる収穫後の損失の減少につながる可能性があると仮定して 12,22,36,37、我々はまた、S. bradys の繁殖率、塊茎重量、および 3 日後の乾燥腐敗とひび割れの程度の観点から塊茎の品質を評価しました。そして5ヶ月の保管期間。

我々は、切り刻んだBF（図1a、b）とOCC（図1c、d）のスラリーを個別に、または次のようにBF:OCCのさまざまな比率で混合したスラリーを単に脱水することにより、化学添加物を一切使用せずに生分解性マトリックスを作成しました。 BO82、80:20; BO64、60:40; BO46、40:60; BO28、20:80; および OCC、OCC のみ。ハンドシート（直径15.2〜16.5 cmの円形シート、補足図1a）のBF含有量が高くなると、粗さと明確な繊維構造が増加するのは、繊維を溶解するために通常使用される過酷な化学処理が欠如していることに起因する可能性があります。。リグニン含有量はOCC画分の増加とともにわずかに増加しますが（補足図1b）、ハイブリッドのフーリエ変換赤外分光スペクトルに追加のピークがないことは、OCCによって新しい官能基が導入されないことを示しています（補足図1c）。

a、b、バナナの擬似茎の写真 (a) および BF 紙の代表的な SEM 断面 (b; データの再現性を検証するために、異なる BF 紙の 3 つのサンプルを 5 つの異なる倍率でスキャンしました)。 c、d、OCCボックスの写真（c）およびOCC紙の断面SEM（d;データの再現性を検証するために、異なるOCC紙の3つのサンプルを5つの異なる倍率でスキャンしました）。 e、4、5、6、および7週間後に土壌から除去されたBFおよびハイブリッド紙（BO82、BO64、BO46およびBO28）の断片を示す写真。 f – i、BF、BO82、BO64、BO46、BO28、およびOCCで作られた紙の、土壌に埋める前（f）と1週間（g）、2週間（h）、および3週間（i）のインキュベーション後の応力-ひずみプロット土の中に生きたトマトの根が入っています。挿入図は、土壌から除去した後の対応する BF の写真を示しています。 j、土壌中での1、2、および3週間のインキュベーション前後のBF、BO82、BO64、BO46、BO28およびOCC紙の累積ヤング率を示すプロット。 k、土壌中に21日間埋設したBF紙のバナナ繊維の表面と中空内部を覆う土壌粒子を示す高倍率および低倍率のSEM画像。

ソースデータ

BF (拡大データ図 1a) および OCC (拡大データ図 1b) の表面セクションの走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像は、ハンドシートの同様の製造から生じる、繊維が緩く詰まった類似の形態を示しています。ただし、対応するハンドシートの断面では、繊維形態とパッキングパターンに鋭いコントラストが示されています（図1b、d）。 BF には緩く詰まった中空繊維が豊富に含まれていますが、OCC には中空管状繊維がまったく含まれておらず、層状構造が豊富に含まれています。異なる割合で組み合わせると、得られるハイブリッドは、OCC含有量の増加に伴って中空バナナ繊維の数が徐々に減少します（拡張データ図1c〜f）。費用対効果と入手のしやすさに加えて、OCC30、33 による層状形態により BF 紙の結合と均一性が促進される可能性があるため、OCC と BF を使用してハイブリッドマトリックスの強度と剥離プロファイルを調整しました。

紙の繊維形態と組成は積荷放出特性を決定するのに役立ちますが、根の成長を損なうことなく発芽種子に提供される保護の程度も、野外試験用のマトリックスを選択するための重要なパラメーターです。私たちの予備調査では、破裂指数 (紙 1 グラムあたりの破裂に必要な最小圧力) と種子ラップの根貫通プロファイルの関係が示されています 24。 BF 紙の破裂指数は 3.8 kPa m2 g-1 (拡張データ図 1g) であり、OCC 紙の破裂指数 (13.4 kPa m2 g-1) のほぼ 3.5 分の 1 です。この強度の違いは、それぞれの紙の繊維の充填と性質による結合の程度に起因すると考えられます。つまり、より緻密な繊維が OCC 紙の水素結合を強化しますが、充填が緩い中空繊維は BF の強度を低下させます。紙38、39、40。興味深いことに、BF を添加すると、BO ハイブリッドの強度は大幅に低下します。たとえば、BO28 に 20% BF を添加すると、OCC バースト指数が 61% 減少します。これは、比較的弱い中空バナナ繊維が強度の低下に関与していることを示しています。 OCC繊維を使用。形態、強度、積荷放出と生分解性の相互作用が、現場環境における W&P マトリックスの最終的な性能と運命を決定します。

研究対象期間中、成長中のトマト植物とともに土壌中でさまざまなマトリックスをインキュベートすることにより、さまざまなマトリックスの強度と完全性を評価しました（拡張データ図2a〜e）。トマトは、植物の根がさまざまな紙組成物を通過する能力の単純な生物学的指標としてのみ使用されたことに注意してください。高BF含有量の紙（BF、BO82、BO64）は、最初の3週間以内に強度を失い始めました（図1f-j、および拡張データ図2f）。保管した場合、繊維の完全性と強度が明らかに低下しました。土壌を長期間放置します（図1e〜kおよび補足表1）。 BF 含有量が高いサンプルのヤング率の値が低い（柔軟性が優れていることを示す）のは、BF の直径が大きいため（図 1b）41、OCC ファイバーと比較してファイバーの接着に利用できる面積が小さくなっていることが原因と考えられます。 3週間後に土壌から採取したサンプルのSEM画像（拡張データ図2g-l）は、明確な亀裂の形成と繊維形態の損失を示しています。 BO82 と BO64 は、生育初期には無傷のままでありながら、土壌中で徐々に完全性を失う実行可能なラップであることを示唆しています。対照的に、BF のみから開発された紙はすぐに崩壊します。また、3週間後にはバナナ中空繊維の内部も土粒子で覆われていることにも気づきました（図1k）。このコーティングは土壌微生物が利用できる表面積が大きいため、分解プロセスをさらに加速することができます。興味深いことに、3週間後にBF、BO82、およびBO64に胞子様構造があることにも気づきました（拡張データ図2g–iの矢頭として示されています）。土壌中のBFが豊富なマトリックス。最近のさまざまな研究では、土壌中のリグノセルロース系物質の分解は、さまざまな土壌微生物によって分泌される多様な酵素ファミリー、リグノセルロース系物質の組成、土壌の性質など、いくつかのパラメーターの相乗作用であることが示されていますが42,43、当社の合成ポリマーのリグニン含有量は低いため、土壌生物相に露出した広い表面積（中空管腔によって寄与される）と結合した遊離BFハイブリッドは、妥当な時間枠内でその生分解に寄与する可能性があります。

固相マトリックス中の小分子 (AI など) の拡散は、マトリックスと拡散剤の間の相互作用や、固相中の水の性質と含有量によって決まる水性経路 (収着と拡散) など、さまざまな要因によって決まります。マトリックス。 BFおよびBO82（図2a）の水の流速が高いのは、それらの低密度および高多孔性（拡張データ図1hの低い空気抵抗によって示されています）と、水路として機能する中空の管状繊維が豊富にあることに起因すると考えられます。水の分子44,45。さらに、マトリックスの熱重量分析では、高 OCC と比較して、BO82 では 1 グラムあたり除去しにくい（結合して捕捉された 46）水（56.5 mg g-1）と揮発性物質（15.4 mg g-1）が大量に含まれていることを示しています。 -内容紙は、結合の弱い水（自由水、25〜50°Cの間の重量損失によって示されます。補足図2a）の含有量が高いことを示します。一般に、マトリックス内の除去しにくい水は繊維内の溶解/懸濁分子の拡散に関与しますが、自由水（多孔質構造内に閉じ込められている41）は吸着や乾燥などの表面現象に影響を与えます。高BF含有紙（BFおよびBO82）では、除去しにくい水の含有量が比較的多く、水の流れが速いため、水に溶解/懸濁した小分子（農薬、栄養素）を迅速に吸収および拡散する傾向があることがわかります。 AI のスプレーと種子ラップ内での拡散を促進します。

ａ、様々なマトリックスによる吸着水および水の移動速度（ｎ＝５、エラーバーは、ＢＦ、ＯＣＣおよび様々なハイブリッドによって吸着された水の量（％）および速度の平均値からの標準偏差を示す）。 b、BF、OCC、およびハイブリッド紙における強くおよび弱く結合したAbm含量（n = 3、エラーバーは、それぞれのマトリックス上で強くおよび弱く吸着されたAbmの平均値からの標準偏差を表す）。 c、AbmとOCC、BF、リグニンおよびセルロースとの相互作用から生じる熱放出を示すITCサーモグラム。

ソースデータ

PPN に対する長期的なバイオアベイラビリティのためには、マトリックスは AI (ここでは Abm) をゆっくりと放出して、特に初期の成長期間中に線虫集団への継続的な曝露を確保する必要があります。また、過剰な Abm は土壌と結合し、生物学的利用能の損失につながります 24,25。図2bに示すように、容易に利用可能なAbm含有量は、ハイブリッドにおけるOCC含有量の増加とともに減少しますが、BFは容易に利用可能なAbmの最大量（総負荷量の32％）を示します。 OCC および BO28 紙は、検出可能な弱い結合した Abm を示さず、これは植物生育初期の PPN 集団を制御するために望ましい特性ではありません。

AbmとBFおよびOCCの成分、およびリグノセルロース系物質（セルロースおよびリグニン）の主要な構成要素との相互作用を切り離すために、予備的な等温滴定熱量測定（ITC）測定が行われました（図2cおよび補足図2b）。すべての実験は、Abm と BF、OCC、リグニンおよびセルロースとの発熱相互作用を示しています。 Abm、OCC、およびリグニン間の ITC サーモグラムは、同様の 2 段階の結合を示しており、初期の急峻な熱変化が滴定ごとに小さな熱変化に移行し、結合部位の飽和を示しています。対照的に、BF は Abm と多段階の相互作用を示し、BF のさまざまな部位に Abm が結合していることがわかります。相互作用の熱を比較すると、セルロースはわずか6.9μJの熱を放出しますが、これはセルロースの豊富な-OH基に割り当てられ、疎水性Abm分子との相互作用が弱くなります（補足図2cの構造）。対照的に、OCC は約 28 μJ の熱を放出し、Abm との結合がより強いことを示します。一方、BF とリグニンは、それぞれ 23 μJ と 21 μJ という同様の相互作用熱の値で示されるように、Abm と同程度の結合を示します。総合すると、Abm結合の程度と等温線の形状（図2b、c）は、これらのマトリックスの放出プロファイルの決定に複数の要因が関与していることを示しています。 OCC 含有量が高いとマトリックスの強度と AI 結合が強化されますが、BF は溶解/懸濁分子のより速い拡散とシードラップに必要な適切な機械的柔軟性をもたらします。さらに、BF 中空繊維構造により、水に溶解/懸濁したカーゴ分子 (AI) の吸着と拡散に利用できる表面積が増加します。

前のセクションで行われた研究では、生分解性、放出、吸水性、強度のバランスの観点から BO82 が適切な候補であることが示されています。フィールドテストでは、BF と OCC を 80:20 の組成で含む 0.3 ～ 0.5 wt% の繊維状スラリーを脱水して、幅 25.4 cm のロール紙（BP と呼ばれます）を準備しました（図 3a ～ d）。ルーズパックファイバーのランダムな配向と中空糸の形態は、X線断層像とSEM顕微鏡写真（拡張データ図3a、b）によって検証され、バーストインデックス、気孔率、および機械的性能は、同様の範囲内に収まるように最適化されました。 BF および BO82 (拡張データ図 3c および補足表 2)。無傷の紙を通るトマトの根の貫通（図3e）は、強度と根の貫通プロファイルのバランスを示しました。興味深いことに、土壌中で1か月後にBPが土壌微生物の豊富な胞子を明らかにしたことに気づきました（図3f）。この観察は、微生物およびマクロ微生物の活動を通じて低分子量化合物に生分解される傾向を示しています47。

a～d、ヘッドボックスからの繊維のスラリーから長網抄紙機で紙を製造する様子を示す写真 (a)、均等に広げられ、脱水されてワイヤー部分に湿った繊維シートが生成されます (b)。プレスおよび乾燥セクション (c) は、紙ロール (d) に変換されます。 e, トマトの苗を土壌に21日間放置した後の、トマトの根が浸透したバナナ紙の写真。 f、土壌中に28日間保管したバナナペーパーの表面部分の高倍率および低倍率のSEM画像。下の顕微鏡写真の矢印と上部の丸で囲まれた領域は、土壌微生物の胞子の存在を示しています。 g、土壌中に25日間保管した後のBF、OCC、BO82およびBPからのAbmのバイオアベイラビリティの平均値のデータ分布と標準偏差を示すプロット（n = 3）。

ソースデータ

AIのバイオアベイラビリティに対する土壌環境の影響を理解するために、Abmをロードしたマトリックスを土壌に埋めた後、Caenorhabditis elegansバイオアッセイでBP、OCC、BFおよびBO82（図3g）からのAbmの生物活性を比較しました24,49。色々な間隔。 BP によって示された生物活性の長期間の保持は、W&P 配合物が Abm を部分的に隔離し、土壌環境との相互作用を制限したことを示しています。前のセクションで示した水分収着研究と併せて考えると、これらの結果は、OCC や BF と比較して、BP に適用された Abm のほとんどが、水ではなく捕捉された水 (除去が困難) を通じてマトリックスと結合することを示唆しています。は表面に残るため、水和サイクル (拡張データ図 3d) や土壌環境に関係なくゆっくりと放出されます。さらに、私たちの予備研究は、BPにロードされた場合、光分解性のAbm48、49の紫外線（UV）安定性が強化されたことを示しており（補足図3）、BP-Abmマトリックスの保存安定性を示しています。

私たちは 2015 年にベナンのサヴェ郡とグラズエ郡で農場での試験を確立しました (拡張データ図 4)。すべての試験では、従来の農家の慣行と比較して、W&P処理を使用した塊茎の重量と品質の大幅な改善が示されました（FP：血圧なし、腹筋なし、図4a〜eおよび補足ビデオ）。図4fはまた、収量の顕著な増加を示しています。つまり、Abmを負荷したBP（BP-Abm）では28〜57％、シードラップとして未処理のBPでは27〜53％です。対照区 (FP) は、すべての場合において収量が最も低く、品質も最も悪かった。 2016年には、サヴェ地域とグラズエ地域のすべての試験で、BP-Abm処理とBPのみの処理の両方で収量の増加が観察されました（図4g）。しかし、大雨 (拡張データ図 5) と畑の洪水により、FP 処理と W&P 処理の間には小さな違いが見られます。 2017年には、サヴェとグラズエの同じ畑からの処理作物（BP-AbmおよびBP）の収量が大幅に増加していることが観察されました（図4h）。サバロウ郡の 6 つの畑も研究に含まれていました。 W&P 処理後の収量は 9 ～ 22% 増加しました。 2018年にサバロウで実施された6つの試験はすべて、FPと比較して収量が16〜40％増加したことを示しています（図4i）。注目すべきことに、ほぼすべての場所で実施された野外試験では、2015年から2018年にかけて全体的な収量の増加が示されています。たとえば、BP-Abm処理の場合、収量は2015年の1ヘクタールあたり13.2トン（t ha-1）から15.2 t ha-1に増加しました。 2018年には塊茎の品質も向上しました。

a～e、ノースカロライナ州立大学の芝生サイトで紙にAbmを噴霧している写真（a）、紙に包まれたヤムイモの種子片（b）、ヤムイモ畑での収穫（c）、W&PによるW&P処理後に得られた健康な塊茎を示す写真BP-Abm (d) および FP を使用して生産された塊茎。 (e)。 f–i、グラズエの t ha−1 におけるヤムイモ作物の収量の平均値（各バーの個別のラベルとして表示）のデータ分布と標準偏差を示すプロット（Gl-1、Gl-2、Gl-3、 Gl-4、Gl-5）、サヴェ（Sa-1、Sa-2、Sa-3、Sa-4、Sa-5）、サヴァル（Sv-1、Sv-2、Sv-3、Sv-4、 Sv-5、Sv-6）2015年（f）、2016年（g）、2017年（h）および2018年（i;各治療（FP、BP-AbmおよびBP）についてn = 5に実施されたフィールド試験の結果）各分野で）。 j – m、2015年（j）、2016年（k）、2017年（l）および2018年（m; n = 3 は各プロットの各処理 (FP、BP-Abm、および BP) で除去された皮を表します)。頭字語の文字は郡の名前を示し、数字はそれぞれの郡の農場番号、つまり、この研究の一部であるグラズーエ、セーブ、サバロウを示しています。 FP = 農家の慣行 (ラップなし、ABM なし)。 BP = 紙のみ。 BP – Abm = Abm がセットされた用紙。すべてのプロットのエラーバーは、算術平均からの標準偏差を示します。

ソースデータ

降雨パターンは 4 年間の研究中に大きく変化しました (拡張データ図 5)。一般的な傾向として、降雨量が少ないほど、処理区と FP 区の間の収量差が大きくなることが観察されました。これは 2015 年シーズンに特に顕著でした (図 3 および拡張データ図 5)。 2016年から2018年のシーズンは降雨量が非常に多く、田畑が一時的に浸水したケースもあった。たとえば、2016 年 8 月にサヴェで豪雨が発生し、洪水が発生しました。グラズエでは、2016 年の降雨量は 2015 年よりも大幅に多く、2017 年には植栽直後に非常に激しい雨が降りました。さらに、9 月の大雨により洪水も発生しました（拡張データ図 5）。根系に対する線虫の損傷は、土壌中の水を吸収する能力を妨げる可能性がありますが、多くの場合、過剰な水を供給することで補うことができます。雨季に観察された処理間の収量の差が小さいのは、この現象によるものと考えられます。植え付け直後の降雨により、W&P 処理ですでに微量投与された Abm が希釈され、時間の経過とともに効果が低下した可能性があります。雨の多い年には収量の増加が少なかったにもかかわらず、W&P 処理によるヤムイモの品質の改善はすべての試験で大幅でした 46,47。

データの統計分析（拡張データ図6および補足表3）は、FPと比較してW＆P処理によりヤムイモの収量がすべての年で増加した（P ≤ 0.01）ことを示しています（図5a）。 BP-Abm は一般に未処理紙 (BP) よりも優れていましたが、2 つの差は区別できないことが多く (拡張データ図 6a、b)、BP のみが FP よりも明確な利点を提供したことを示唆しています。これまでの研究では、BPが宿主の根の浸出液に結合し、線虫の根の位置を特定する能力に影響を与えることにより、宿主と線虫の化学コミュニケーションを妨害することが実証されている10。乾燥腐敗は、W&P 処理よりも FP 処理の方が大きかった (P ≤ 0.01) (拡張データ図 6c)。ここでは、塊茎の品質 (重量、サイズ、健康状態) の違いが注目に値します。農家は、BP-Abm処理により常にPPN感染が見られないより長く大きな塊茎が得られることを示しました（図4d、e）。すべての圃場試験において、FPと比較して塊茎の皮ではヤムイモ線虫個体数の大幅な減少が観察されました（図4j–m）。 BP 単独および対照 (FP) と比較した場合、定植時に BP-Abm 処理を行うと、最終的な線虫個体数が大幅に減少しました。塊茎の皮で最終的なヤムイモ線虫の個体数が80％減少することが観察されました（図4j–m）。これは塊茎の品質の高さに大きく貢献しただけでなく、この線虫による収穫後の塊茎の損傷や損失のリスクが大幅に減少したことも示しています。最終的な線虫個体数の変動は、4 年間のすべての野外試験を通じて試験全体で一貫して低かった。

a、2015年から2018年の圃場試験におけるW&P処理の影響を受けたヤムイモ収量（th a−1）（lsd = 0.34、α = 0.01）。 b、2015年から2018年の圃場試験におけるBP-Abm、BPおよびFP処理が、収穫時および収穫後3ヶ月のヤムイモ皮1グラムあたりのS. bradysの個体数密度に及ぼす影響を示す統計データ（それぞれ、lsd = 1.41および2.95）、α = 0.01)。 c〜e、グラズーエ（c）、サヴェ（d）、サヴァルー（e）地域で塊茎（FP、BP、およびBP-Abm処理後に生成）を3か月および5か月間保管した後のS.bradysの最終個体数（Pf）を示すプロット(各治療につき n = 3)。 X 軸ラベルの各年の後の数字 3 と 5 は、保管期間を月単位で示します。異なる場所から採取した塊茎を同じヤムイモ小屋で保管するため、結果への影響を避けるため、保存性実験は同じ気候条件で実施しました。 f〜h、塊茎の重量、品質、およびS. bradysの個体数を評価するために保管されたヤムイモ塊茎を示す写真（f）、処理後に生産されたヤムイモ塊茎とFP（g）が充填された個別にラベルが付けられた多孔質容器（g）、およびサンプリングのために皮を取り除いた塊茎（h）。パネル a および b のデータ分析は、3 回の処理と 5 回の反復によるランダム化された完全ブロック設計の一元配置分散分析で構成されています。組み合わせ分析は、3 つの処理 (BP-Abm、BP および FP)、5 つの反復、26 の農場、および調整なしの 4 年間の要因計画と同様に行われました。すべてのデータ分析は、PC/SAS ソフトウェア (SAS Institute) の一般的な線形モデル手順を使用して実行されました。平均分離は、Waller-Duncan k 比 t 検定によって行われました。ボックスは四分位 1 (下位、25 パーセンタイル) と四分位 3 (75 パーセンタイル) で囲まれ、ひげは最小値 (四分位 1 − 1.5 × 四分位範囲) と最大値 (四分位 3 + 1.5 × 四分位範囲)、中央値は次の線で定義されます。ボックス (四分位範囲)、平均値は X で示され、外れ値は点で示されます。パネル a ～ e のエラーバーは、算術平均 (それぞれのラベルとして表示) からの標準偏差を示します。

ソースデータ

ヤムイモは、他の作物の生産が不可能な「飢餓の時期」に取引、保管、消費できるため、収入を生み出す換金作物とも考えられています11。貯蔵されたヤムイモの健康な塊茎は、次のシーズンの作物の種子としても使用されます。収穫後の塊茎の健康状態を維持することは重要な課題であり、年間約 100 万トンのヤムイモが保管中に失われます50。収穫後の損失にはさまざまな要因が関与していますが、ヤムイモ線虫が主な原因と考えられており、乾燥腐敗を引き起こし、塊茎を真菌や細菌の感染症にかかりやすくします14,20。

収穫時のヤムイモ塊茎重量は、2016年から2018年にかけてW＆P処理によって増加し（図5a; P ≤ 0.01）、FPよりも大幅に改善されました（最小有意差（lsd）= 31.2、α = 0.01）。 3 か月の保管後、塊茎重量は減少し、処理の平均塊茎重量は BP-Abm > BP > FP (lsd = 26.5、α = 0.01) でした。塊茎の重量減少パーセントは、W&P 処理の影響を受けました (拡張データ図 6a、b; P ≤ 0.01)。 FP からの塊茎は、BP-Abm 処理と比較してより大きな重量の割合を失いましたが、BP の重量減少率は BP-Abm よりも大きかった (lsd = 0.81、α = 0.01)。

3つの領域すべてで、FPと比較して、処理された（BP-AbmおよびBP単独）塊茎の皮におけるS. bradysの最終個体数が大幅に減少していることに気づきました（図5b）。塊茎保管データの統計分析は、W&P処理の方がFPよりも収穫時の皮1グラム当たりのS. bradys個体群密度が低い(P ≤ 0.01)ことを示しています(図5bおよび補足表4)。 BP-Abm 処理では、未処理の BP よりも線虫の個体数密度が著しく低く、FP よりも低かった (lsd = 1.41、α = 0.01)。ヤムイモ塊茎の皮にある S. bradys の繁殖率と数は保管後の塊茎で増加しましたが（図 5b-e）、個体群密度における処理の差は依然として存在していました（P ≤ 0.01）。 FP の数値は BP 治療よりも大きく、BP-Abm 治療よりも大きかった (lsd = 2.95、α = 0.01)。

5 か月の保管後、FP 処理で生産された塊茎では S. bradys 個体数の 2.5 ～ 3 倍の増殖が観察されましたが、BP-Abm 処理で生産された塊茎では個体数の増殖は 1.5 ～ 2 倍でした。同様の条件と期間で（図5c〜e）。 W&P 処理塊茎の貯蔵開始時の開始個体数が低いことと組み合わせると、これはヤムイモ線虫の負担の大幅な減少となります。保管中の塊茎の重量減少は、高い周囲温度 (25 ～ 30 °C) で乾燥した塊茎からの水分損失に部分的に関連している可能性があります。しかし、ヤムイモ塊茎の保管中の重量減少の主な原因は S. bradys であり、これにより塊茎の品質、食用価値、市場性が大幅に損なわれます。対照 (FP) と比較して、処理塊茎は 3 か月および 5 か月の保存での重量減少が少ないことがわかります (拡張データ図 6a-b および 7a-c)。また、3 か月間保管した W&P 処理塊茎では、3 つの地域すべてで乾燥腐敗とひび割れが減少していることが観察されました（拡張データ図 6c および 7d–f）。

W&P 技術とその市場性に対する農家の認識を評価するために、サヴェ、サヴォルー、グラズエ地域で 3 つの主要な調査が実施されました (補足ビデオ)。 FP で生成されたヤムイモの 59.93% と比較して、BP-Abm 処理後に生産されたヤムイモの平均費用利益率は 79.3% であり、W&P 処理によるヤムイモの生産が変動および固定生産コストの観点から経済的に有益であることを示しています51。 BP-Abm 処理によって得られる 1 ヘクタールあたり 1,112,080 アフリカ金融共同体フラン (FCFA ha-1) の純利益は、FP の純利益 (723,498 FCFA ha-1) よりも 153.7 % 高く、一方、BP 単独処理のヤムイモは純利益を生み出しました。 768,515 FCFA ha−1。全体として、農家は、FP が生産した塊茎よりも W&P で処理された塊茎の方が、品質と外観が高かったため、はるかに高い価格を受け取りました51。まだ明らかになっていないのは、この技術を商業化するためのコストです。これは、この技術を小規模農家にとってできるだけ安価で利用しやすいものにするという取り組みのもとに模索されている手段です。

また、W&P 処理によって生産されたヤムイモの栄養、収穫、食品加工、嗜好性などの特性を調べることにより、ヤムイモの官能特性に対する BP-Abm 処理の効果も評価しました52。 W&P 処理によって生産された、茹でて叩いたヤムイモの高い評価指数は、西アフリカでのより良いヤムイモ生産のための W&P 技術の採用に対する消費者からの強い支持をもたらしました52。農家、ヤムイモベースの食品加工業者、貿易業者を含むさまざまな関係者の反応が、W&P 処理ヤムイモと FP の栄養段階、収穫段階、塊茎加工段階に基づいて記録されました。サヴァルとサヴェでは、BP-Abm処理塊茎由来の食品の感覚的/官能的品質と、線虫学的および農業学的側面が、ヤムイモ生産に関連するこの技術革新の採用に対するヤムイモ関係者の好みの重要な要素を表していた。しかし、グラズーエでは、ヤムイモ生産のための BP の選択において、線虫学的および農業形態学的記述子がより重要でした 52。全体として、この研究は、塊茎および派生食品（小麦粉など）の品質に基づいて、ベナン中央地域のヤムイモ関係者が W&P BP-Abm 処理を好むことを示しています。

要約すると、私たちはバナナの収穫から出る廃棄物や古い段ボール箱を化学薬品を使用しない簡単なルートでリサイクルすることにより、小規模農家向けの持続可能な作物保護のための堅牢で柔軟なプラットフォームを開発しました。ベナンの 3 つの異なる地域での圃場試験では、Abm を添加したバナナペーパーまたは未処理のバナナペーパーで処理した塊茎から生産される作物の収量と品質が大幅に増加することが示されました。 3 か月および 5 か月の保管期間後の塊茎の皮におけるヤムイモ線虫 (S. bradys) の繁殖因子の大幅な減少は、W&P プラットフォームが収穫後の損失の削減に有効であることを示しています。さらに、Abm を添加したバナナペーパーが乾燥腐敗やひび割れから最もよく保護され、次にバナナペーパーのみが続きました。 W&P テクノロジーは、徐放性、調整可能な強度、土壌の完全性、および AI 光分解の軽減に加えて、適用のために追加の機器を必要としない固相処理です。超低量の AI (市販製剤の 1/100 以下) を使用した 1 回の治療により、目的外の影響を最小限に抑えながら費用を削減します。 W&P の技術、食品の品質、ヤムイモ粉の調理に対する農家と消費者の認識の両方から、Abm バナナペーパーで処理したヤムイモが強く好まれており、バナナペーパーだけでも品質と保存の点で農家の慣行を上回っています。将来的には、このプラットフォームは、拡張性、適用の容易さ、AI 配信を目的として、パウチ、スリップ、苗トレイなどの構造変更に対応できるようになります。当社のシードラップの調整可能な性質は、マクロ栄養素および微量栄養素、生物学的製剤、または殺虫剤や殺菌剤などの他の作物生産部分を提供するための有望な機能でもあり、小規模農場、有機生産者、および潜在的に大規模生産者に適用されます。

バナナ (Musa acuminate) 繊維は、コスタリカの地球大学の農業産業ユニットから入手しました。 OCC ボックスは、ノースカロライナ州の製紙パイロットプラントから調達されました。 Abm (97%) は、Alfa Aesar によって供給されました。 Caenorhabditis elegans N2 株 (野生型) は、Caenorhabditis Genetics Center から入手しました。試薬グレードのアセトン (99.5%) および高速液体クロマトグラフィー (HPLC) グレードのアセトニトリル (99.8%) は、Millipore Sigma から購入しました。ローダミン B (≥95%) 色素は Millipore Sigma から購入し、さらに精製せずに使用しました。リグニン含有量の測定には、チオ硫酸ナトリウム溶液 (0.2 N)、ヨウ化カリウム溶液 (1 N)、硫酸 (4 N)、過マンガン酸カリウム溶液 (0.1 N) およびデンプン指示薬が Fisher Scientific から提供されました。フィールド試験のための紙の作成および噴霧を除いて、実験全体を通じて脱イオン（DI）水（pH 5.77 ± 0.13）を使用しました。

BF、OCC、およびハイブリッド繊維スラリーからハンドシートを調製するために、技術協会に従って、繊維を個別にまたはさまざまな組成物（補足表1）の水に一晩浸漬し、1.57％の濃度に希釈した後、バレービーターで3分間叩きました。紙パルプ産業 (TAPPI) T200 標準メソッド。標準的な英国実験用ハンドシート型を使用して、TAPPI T205 標準法に従い、パルプから組成物あたり少なくとも 10 枚の円形ハンドシート (直径 15.88 cm、坪量 70 gm-2) を調製しました。 W&P マトリックスの最終組成を選択した後、OCC と BF を混合し、バレービーターで 3 分間水中で機械的に繊維を細断 (精製) することにより、濃度 1.57% のパルプスラリーを作成しました。 30.48 cmの長網抄紙機を使用して、幅25.4〜30.48 cmのロール紙を作成しました（図3a〜d）。調製した繊維スラリーをタンク内で一晩保管した。次に、このスラリーをオープンヘッドボックスを介してシートに変換し（図 3a）、最初の脱水のために懸濁液をワイヤーセクションに均一に分配しました（図 3b）。産業規模の抄紙機のプロセスと同様に、プレスセクションで湿ったウェブから水分がさらに除去され、続いて乾燥セクションで加熱シリンダーによって乾燥されます。紙は連続的にロールに巻き取られました（図3d）。目標坪量（表面積あたりの重量）は 70 ～ 80 gm-2 でした。紙 (ハンドシートおよびロール紙) は、TAPPI T410、T460、T810、および T236 試験に続いて、密度、空気抵抗 (ガーレー法)、破裂強度、およびリグニン含有量をそれぞれ試験する前に、23 °C および相対湿度 50% で調整されました。。

電界放射型走査型電子顕微鏡 (Verios FE1) を使用して、さまざまなサンプルの形態を特性評価しました。特性評価の前に、加速電圧を 2.0 kV に保ちながら、特性評価の前に 10 nm の金層でコーティングして導電性にしました。通常、各種類の紙の異なるサンプルの 3 つの断面を 5 つの異なる倍率でスキャンして、データの再現性を検証しました。フーリエ変換赤外分光データは、ダイヤモンド/ZnSe 減衰全反射ステージを備えた Perkin Elmer Frontier 分光計を使用して収集されました。 OMNIC ソフトウェアを介してデータにアクセスしながら、それぞれのケースで 64 回のスキャンが実行されました。 TA Instruments SDT 熱重量分析装置を使用して、熱重量分析によって各サンプルの遊離水分および除去困難な水分含有量を測定しました。 10 ～ 12 mg のサンプルを 10 °C min-1 の速度で加熱し、50、90、および 120 °C での重量損失を測定しました。サンプルの機械的性能は、TA Instruments Discovery シリーズハイブリッドレオメーター HR-3 の動的機械分析アタッチメントを使用して検査されました。長さ 30 mm、幅 10 mm の長方形の試験片を、荷重ギャップを 15 mm に固定し、一定の引張速度 3 mm min-1 で両端をクランプしました。サンプルの緩みを取り除くための記録のための最小の力は、０．１Ｎに設定された。各サンプルの厚さは、マイクロメートルねじゲージによって測定された。各サンプルから少なくとも 3 つの標本が評価され、すべてのサンプルの平均がとられました。

マトリックスと AI (この場合は Abm) の間の結合の程度を推定するために、10 ml の脱イオン水中で 10 ppm の Abm をロードした 1 cm2 のマトリックス片を 5 分間超音波処理しました。その後、同じ紙片を 10 ml のアセトンに移し、30 分間激しく振盪して、Abm を完全に溶解させました。アリコートの HPLC 分析により、最初の 5 分間に脱イオン水中に放出された弱く結合した AI と、アセトン中に収集された強く付着した Abm の推定値が得られました。すべての実験は 3 回繰り返して行われました。 Abm とハイブリッドマトリックスの成分 (BF および OCC) およびその構成要素 (リグニンおよびセルロース) 間の相互作用の性質を理解するために、TA Instruments 等温滴定熱量計 (NanoITC、TA Instruments) を使用して 298 K で ITC を実施しました。 A 2.5 DI:アセトン (体積比 95:5) 溶媒中の × 10−6 M Abm 溶液を、最初に同じ溶媒に滴定剤 (BF、OCC、リグニンまたはセルロース) 分散液 (0.001 wt%) を含む 170 ml セルに滴定しました。 (DI:アセトン) それぞれ 2.45 µl を 20 回注入。注入は事前にプログラムされており、350 rpm の撹拌速度で 250 秒間隔で自動的に実行されました。注入間の時間間隔は、次の注入までに熱力学的平衡が確実に達成されるように選択されました。最初の注射前と最後の注射後のベースラインを 100 秒間収集しました。滴定剤の希釈熱に関するデータを収集するために、溶媒への Abm 溶液の希釈 (体積比 95:5 の DI:アセトン) 実験を実行しました。 Abm:滴定剤の比率に対する相互作用熱の依存性は、各注入で得られたピークの面積を計算することによって得られました。各滴定実験は 3 回繰り返して実行されました。

強度 50 mW cm-2 の INTELLI-RAY 400 UV ランプを使用して、Abm のみ (コピー用紙上)、BP-Abm、Abm-BF、および Abm-OCC サンプルの 3 つの複製を UV 光に 30、60 時間曝露しました。、120および180分（補足図3）。 Abm 含有量はサンプル 1 グラムあたり約 10 ppm に保たれました。サンプルをアセトン中で１時間撹拌して、Ａｂｍの完全な溶解を確実にし、これをＨＰＬＣによって測定した。

現地調査は、2015年から2018年にかけて、ベナンのギニア・スーダン移行地帯（西アフリカ、ベナン中心部）のグラズエ（フアン遺跡）、サヴァル（アグバドゴ遺跡）、サヴェ（ゴベ遺跡）の3地区で実施された。。実験はグラズエ（Gl-1、Gl-2、Gl-3、Gl-4、Gl-5）とサヴェ（Sa-1、Sa-2、 Sa-3、Sa-4、Sa-5）、サヴァルでは2年連続（Sv-1、Sv-2、Sv-3、Sv-4、Sv-5、Sv-6）。頭字語は、この研究の一部となったさまざまな農場の名前を指します。試験が実施された気候は、熱帯ギニアとスーダンの湿潤なサバンナであり、二峰性の降雨分布（南部ベナン）と単峰性の降雨分布（北部ベナン）の間の過渡的な状況となっています。移行地帯の平均年間降水量は 900 ～ 1,200 mm で、季節変動と不均等な分布があり、気候変動の進行によってさらに悪化しています。この地域のほとんどの土壌は、砂質ロームの質感を持つ熱帯鉄分土壌 53 として分類されます (補足表 5)。アグバドゴとゴベの遺跡は低地 (適度に水はけのよい土壌) に位置していますが、ホアンは高原 (水はけのよい土壌) に位置しています。

野外活動は、ベナンの主要ヤムイモ生産地域の 1 つである亜湿潤サバンナ農業生態ゾーンで実施されました (拡張データ図 4a)。線虫の侵入レベルの予備評価のために土壌サンプルが採取されました。サンプル分析後、線虫の個体数密度が最も高いフィールドが選択されました。したがって、合計 10 個のフィールド (場所ごとに 5 個) が試験用に選択されました。畑からは植生が取り除かれ、ヤムイモ栽培の慣例に従って塚が作られました。マウンドは実験計画に従ってラベル付けされました (拡張データ図 4b-d)。各野外試験は、5つの反復と3つの処理を含むランダム化された完全なブロック設計で配置されました（拡張データ図4e）：プロットは2 m間隔で配置され、6つのマウンドの4つの列を収容しました。各分野で、試験は 5 つの反復と 3 つの処理を含むランダム化された完全なブロック設計で配置されました（拡張データ図 4d）：（1）バナナペーパー + Abm（BP-Abm）。（２）バナナペーパー単独（ＢＰ）。 (3) バナナペーパーを使用せずに種ヤムイモを植える未処理対照（農民の慣行、FP と呼ばれる）。各 BP-Abm ラップ (15.25 × 20.25 cm2) には 10 μg の Abm が含まれていました。これにより、1.0 g ha-1 または 4.54 ppb の割合での Abm を含むプロットが得られました。

マウンドを植えるために準備し、処理後にラベルを付けた後、土壌サンプルを収集して、植え付け前の線虫の個体数密度を推定しました。ジグザグのサンプリングパターンに従って、手ごてを使用して、プロットごとに 5 ～ 30 cm の深さから 4 つの土壌コアが除去されました54。同じプロットの土壌コアを合わせて完全に混合した後、参考文献に記載されている遠心分離技術を使用して線虫抽出のために 250 cm3 の複合サンプルを取り出しました。 55. 野外で回収された PPN は、Scutellonema spp.、Meloidogyne spp. の 3 つの最も重要な属のうちの少なくとも 1 つでした。およびＰｒａｔｙｌｅｎｃｈｕｓｓｐｐ．畑には、土壌 250 cm3 あたり少なくとも 500 匹の線虫の初期密度が存在しました。

各マウンドには、処理に応じて、単一の種子ヤムイモ (複合ヤムイモの品種 Klatchi) をバナナ紙で包んだり、包んだりせずに植えました。試験の初年度の種芋は、ミニセット技術を使用して線虫のない土壌で生産されました56。その後数年間、種ヤムは、線虫のない種ヤムの生産について事前に訓練を受けた農家から購入されました。簡単に説明すると、彼らは処理されたマザーシードヤムイモのプランテーションを設置し、その後7月から9月にかけて塊茎を収穫し、蔓をマウンド上に保ちました。 9月から12月にかけてこれらの蔓の根から生成される小さな塊茎は、翌年のきれいな種芋として使用されました。肥料は一切使用されず、植栽やその他の文化的作業は地元の慣習に従って農民によって行われました。植え付けは最初の雨季の初め（2015年6月8日～11日、2016年5月13日～16日、2017年4月26日～5月29日、2018年5月8日）に行われ、ブドウの木が完全に乾いた7～8か月後に塊茎が収穫されました。典型的な FP は、それ以上の投入を行わずにヤムイモの種片をマウンドに植えることです。 FP は農場によって異なりますが、雑草が発生した場合は手作業で雑草を防除し、塚には肥料は追加されません。昆虫や病気を防除する農薬は使用していません。ヤムイモの栽培は非常に投入量が少なく、労働集約的であり、作物の管理は手作業で行われます。

W&P 技術の収穫後有効性の評価は、線虫個体数の増加、ヤム芋塊茎の重量減少、保管後の品質に対する処理の効果を研究するために 2016 年に開始されました。塊茎を収穫し、収量をすべての塚からの累積重量として決定し、1 平方メートルあたりのグラム数で表しました。塊茎の保存性に対する W&P の影響は、3 か月および 5 か月の保存期間後に評価されました。収穫時に個々のプロットから2つの塊茎をランダムに収集し、ビニール袋に並べ、さらに蓋をした側面の開いたヤムイモ納屋に保管し（図5f）、線虫の個体数の増加と塊茎の損傷を評価しました。収穫後の研究に使用したプロットあたり 2 つの塊茎の重量を保管の前後で記録し、重量減少率を次のように計算しました。

異なる場所から採取した塊茎を同じヤムイモ小屋で保管するため、結果への影響を避けるため、保存性実験は同じ気候条件で実施しました。貯蔵性実験の現場は、3月中旬から7月中旬と9月中旬から11月中旬の2つの雨季と、2つの乾季が交互に訪れる亜赤道気候の亜赤道気候の亜湿潤サバンナ地域に位置している。年間平均降水量は 1,000 ～ 1,200 mm、年間平均気温は 25 ～ 30 °C です。

線虫の個体数密度は、塊茎および土壌サンプルからの収穫時に推定されました。塊茎線虫の個体数密度を決定するために、キッチンピーラーを使用して、3つの塊茎のそれぞれの4つの側面にある5×5 cm 2 の領域からサンプルの皮（外皮）を取り除きました（参考文献18から変更;図5g、hおよび補足ビデオ）。。次いで、同じプロットからの塊茎の皮を完全に混合し、遠心分離技術を使用して線虫を抽出するために 25 g の皮を取り出しました。土壌線虫については、土壌サブサンプルが中央のマウンドの塊茎ゾーンから収集され、プロットごとに 250 cm3 の複合土壌サンプルが採取され、個体数推定のために処理されました。その後、線虫を形態学的に同定し、オリンパス CX31 解剖顕微鏡下で倍率 20 倍で計数しました。

前の段落で説明した手順に従って、保存した塊茎内の線虫もヤムイモの皮 25 g から抽出しました。貯蔵中の S. bradys 個体数の増加は、ヤムイモの収穫時と貯蔵後に測定されました。次に、保存中の S. bradys の繁殖係数 (Rf) は次のように計算されました。

皮を取り除く前に、塊茎サンプルを収穫時および 3 か月または 5 か月の保管後に線虫の症状を視覚的に評価しました。乾燥腐敗とひび割れの症状の重症度は、次のように 1 ～ 5 のスケールで評価されました。 1 = きれいな塊茎。 2 = 塊茎の皮膚の 1 ～ 25% が対象症状を示しています (低レベルの損傷)。 3 = 塊茎の皮膚の 26 ～ 50% が対象の症状を示しています (低レベルから中程度の損傷)。 4 = 塊茎の皮膚の 51 ～ 75% が対象症状を示しています (中程度から重度のレベルの損傷)。 5 = 76 ～ 100% の塊茎の皮膚が標的の症状 (高レベルの損傷) を示しています 28,57,58。

各部位のデータ分析は、3 つの処理 (FP、BP、BP-Abm) と 5 つの反復によるランダム化完全ブロック設計の分散分析 (ANOVA) で構成されました。年次の結果を組み合わせて、年間の差異を決定しました。すべてのデータ分析は、PC/SAS ソフトウェア (SAS Institute) の一般的な線形モデル手順を使用して行われました。平均分離には LSD を使用しました。農場や年によって降雨パターンや栽培方法に大きな違いがあることが観察されたため、各年および各年の農場間のデータを個別に分析しました。

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。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、別個のソースデータファイルおよび補足情報ファイルとしてこの公開記事に含まれています。ソースデータはこのペーパーに付属しています。

Cui、Z.ら。何百万もの小規模農家とともに持続可能な生産性を追求します。ネイチャー 555、363–366 (2018)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

シェパード D. 成長が鈍化し、世界人口は 2050 年に 97 億人に達すると予想され、2100 年頃には 110 億人近くでピークに達する可能性がある: 国連報告書 (国連、2019)。

Vollset, SE et al. 2017 年から 2100 年までの 195 の国と地域の出生率、死亡率、移住、人口シナリオ: 世界疾病負担調査の予測分析。ランセット 396、1285–1306 (2020)。

論文 PubMed PubMed Central Google Scholar

KE ギラーサハラ以南アフリカの食糧安全保障の難題。グロブ。食品課 26、100431 (2020)。

記事 Google Scholar

アデンレ、AA、ウェディグ、K. & アザディ、H. アフリカにおける持続可能な農業と食糧安全保障: 革新的な技術と国際機関の役割。テクノロジー。社会 58、101143 (2019)。

記事 Google Scholar

Karuri, H. サハラ以南アフリカにおける植物寄生線虫の防除のための根と土壌の健康管理アプローチ。クロッププロット。 152、105841 (2022)。

記事 Google Scholar

サヴァリー、S.ら。主要な食用作物に対する病原体や害虫の世界的な負担。ナット。エコル。進化。 3、430–439 (2019)。

論文 PubMed Google Scholar

オチョラ、J.ら。東アフリカでジャガイモシストセンチュウを持続的に管理するためのラップアンドプラント技術。ナット。サステイン 5、425–433 (2022)。

記事 Google Scholar

コイン、DLら。サハラ以南アフリカにおける植物寄生線虫と食糧安全保障。アンヌ。フィトパトール牧師。 56、381–403 (2018)。

論文 CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

ダークワ、Ｋ．ら。形態学的および分子マーカーに基づく白いホロホロヤム (Dioscorea rotundata) の遺伝的多様性マトリックスとクラスタリング法の比較評価。科学。議員 10、13191 (2020)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Neina, D. 西アフリカにおけるヤムイモ生産の生態学的かつ啓発的な推進力。応用環境。土壌科学。 2021、5019481 (2021)。

記事 Google Scholar

Scarcelli, N. et al. ヤムイモのゲノミクスは、西アフリカが作物栽培の主要な発祥地であることを裏付けています。科学。上級 5、eaaw1947 (2019)。

記事 ADS Google Scholar

Coyne, D. & Affokpon, A.、亜熱帯および熱帯農業における植物寄生線虫 (Sikora, RA 他編) 252–289 (CABI、2018)。

Affokpon、A. ベナンのヤムイモ (Dioscorea spp.) に寄生する線虫: 蔓延と種の多様性。第 69 回作物保護に関する国際シンポジウム議事録（ゲント大学、2017 年）; https://www.ugent.be/bw/plants-and-crops/iscp/en/about/proceedings

ソアデシヤン、RA オディヒリン、ミズーリ州アデニジナイジェリアにおけるヤムイモ線虫 Scutellonema bradys による経済的損失。プラントディス。議員 59、477–480 (1975)。

Google スカラー

JN Sasser および DW Freckman 線虫学に関する世界の視点: 社会の役割 (Society of Nematologists、1987)。

Affokpon, A.、Coyne, DL、de Proft, M. & Coosemans, J. ベナンのネコブセンチュウが蔓延した野菜畑から回収された天然の線虫を食べる真菌の in vitro 増殖特性と生物防除の可能性。内部。 J.害虫管理者。 61、273–283 (2015)。

記事 Google Scholar

Coyne, DL、Tchabi, A.、Baimey, H.、Labuschagne, N. & Rotifa, I. 西アフリカにおける市販のヤムイモ (Dioscorea spp.) における線虫 (Scutellonema bradys および Meloidogyne spp.) の分布と蔓延。畑作物研究所 96、142–150 (2006)。

Google スカラー

Adesiyan, SO ヤムイモ (Dioscorea spp.) における Scutellonema bradys の侵入と増殖。ネマトール。瞑想する。 5、313–317 (1977)。

Google スカラー

Baimey, H.、Coyne, D. & Labuschagne, N. ベナンの圃場および保管条件下でのヤムイモ線虫 (Scutellonema bradys) の増殖と、それに伴うヤムイモ (Dioscorea spp.) への損傷に対する肥料施用の影響。内部。 J.害虫管理者。 52、63–70 (2006)。

記事 Google Scholar

パテルネ、EASA 他ベナンの伝統的農業におけるヤムイモ (Dioscorea rotundata Poir および D. cayenensis Lam 複合体): 現在の品種の多様性と、線虫 Scutellonema bradys によって引き起こされる塊茎の乾燥腐敗に対する耐性に関する農家の認識。内部。 J.Cur. 微生物。応用科学。 8、1119–1138 (2019)。

記事 Google Scholar

コロンビア、YAら。ヤムイモ (Dioscorea spp.) からの Scutellonema 種の形態学的および分子的特徴付け、および属の種の鍵となります。線虫学 19、751–787 (2017)。

論文 CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

ファリアス、BV et al. 作物保護のための種子コーティングとしてのエレクトロスピニングされたポリマーナノファイバー。 ACSサステイン。化学。工学 7、19848–19856 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

ピルザダ、T.ら。作物保護のための効果的な貨物輸送を備えた、カスタマイズされたリグノセルロースベースの生分解性マトリックス。 ACSサステイン。化学。工学 8、6590–6600 (2020)。

論文 CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Cao、J.ら。作物保護のための殺線虫剤の制御放出のためのアバメクチンを充填したリグノセルロース系マトリックスの開発。セルロース 23、673–687 (2016)。

記事 CAS Google Scholar

Pappu, A. et al. セルロース系高分子が豊富なバナナバイオファイバー資源の産業的展望の進歩：レビュー。内部。Ｊ．Ｂｉｏｌ．マクロモル。 79、449–458 (2015)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

バナナ市場レビュー 2020 (FAO、2021); https://www.fao.org/publications/card/en/c/CB6639EN

Mohapatra, D.、Mishra, S.、Sutar, N. バナナとその副産物の利用: 概要。 J.Sci. インド研究所 69、323–329 (2010)。

CAS Google スカラー

Vinokur, V. バナナ市場レビュー—2020 年暫定結果 (FAO、2021)。 https://www.fao.org/publications/card/en/c/CB5150EN/

Jahan, MS、Rahman, MM、Sarkar, M. 古い段ボール (OCC) を溶解パルプにアップグレードします。セルロース 23、2039–2047 (2016)。

記事 CAS Google Scholar

スターキー、H.ら。リグニンを含むマイクロ/ナノフィブリル化セルロースは、軽量で持続可能な包装ソリューションのための再生繊維を強化します。炭水化物。ポリム。テクノロジー。応用 2、100135 (2021)。

CAS Google スカラー

デブナス、M.ら。ティッシュや衛生製品向けの高せん断ホモジナイザーを使用した再生繊維のソフト機械処理。セルロース 28、7981–7994 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

コペンハーバー、K.ら。セルロースナノフィブリルの低エネルギー源としてのリサイクル段ボール容器と、ポリ(L-ラクチド)ナノ複合材料でのその使用。 ACSサステイン。化学。工学 9、13460–13470 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Tang, Y. et al. リン酸と酵素加水分解、その後の超音波処理を使用して、古い段ボールの繊維からセルロースナノ結晶を抽出します。炭水化物。ポリム。 125、360–366 (2015)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

米国の製紙産業は、2021 年の段ボール原紙生産で記録を達成 (米国森林・製紙協会、2022 年)。 https://www.afandpa.org/news/2022/us-paper-industry-reaches-record-containerboard-production-2021

DL コイン、LI アクペオカイ & AF アデニラン西アフリカのジャガイモ (Solanum tuberosum) 生産に対する潜在的な脅威であるヤムイモ線虫 (Scutellonema bradys)。植物パソル。 60、992–997 (2011)。

記事 Google Scholar

ミグヌーナ、DB 他サハラ以南アフリカおよびそれ以降のヤムイモ研究投資への収益の可能性。展望アグリ。 49、215–224 (2020)。

論文 PubMed PubMed Central Google Scholar

リー、A.ら。再生 OCC パルプ繊維を強化するための添加剤として、ナノセルロースにジエチレントリアミン五酢酸およびキトサンをグラフトします。セルロース 29、2017–2032 (2022)。

記事 Google Scholar

チェン、Y.ら。セルロースの水素結合とユーカリ紙シートの特性に及ぼす湿式プレス誘発繊維角質化の影響。ホルツフォルシュング 72、829–837 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Wan, J.、Yang, J.、Ma, Y.、Wang, Y. OCC 繊維の特性に対するパルプの調製と製紙プロセスの影響。 BioResources 6、1615–1630 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

Célino, A.、Fréour, S.、Jacquemin, F. & Casari, P. 植物繊維の吸湿性挙動: 総説。フロント。化学。 https://doi.org/10.3389/fchem.2013.00043 (2014)。

Wilhelm, RC、Singh, R.、Eltis, LD & Mohn, WW メタゲノムおよび定量的安定同位体プローブによる森林土壌における脱リグニン化とリグノセルロース分解に対する細菌の寄与。 ISME J. 13、413–429 (2019)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Shinde, R. et al. 土壌中の農業残渣分解に対するリグノセルロース分解微生物の可能性：レビュー。J. 環境。管理。 320、115843 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

Iqbal, A.、Beaugrand, J.、Garnier, P. & Recous, S. 組織密度は、作物残留物の水分貯蔵特性を決定します。植物土壌 367、285–299 (2013)。

記事 CAS Google Scholar

Kim, HK、Park, J. & Hwang, I. 維管束植物の木部ネットワークを通じた水輸送の研究。 J.Exp. ボット 65、1895 ～ 1904 年 (2014)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

オニール、H.ら。結晶セルロースに結合した水のダイナミクス。科学。議員 7、11840 (2017)。

論文 ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

陰、GZ、陽、XM 生分解性ポリマー: 地球の治療法ですが、道のりは長いです。Ｊ．Ｐｏｌｙｍ．解像度 27、28（2020）。

記事 Google Scholar

エスカレーダ、JP 他殺ダニ剤アバメクチンの光分解: 速度論的研究。Ｊ．アグリック．食品化学。 56、7355–7359 (2008)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Mo、D.ら。紫外線遮蔽性を有する徐放性リグニンベースのアベルメクチンナノデリバリーシステムの作製と評価。科学。議員番号 11、23248 (2021)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Coursey、DG、Fellows、LE & Coulson、CB ヤムイモ塊茎組織における呼吸。 Nature 210、1292–1293 (1966)。

記事 ADS Google Scholar

Dedehouanou、H. ラップ＆プラント技術: 畑での線虫防除のための種子ヤム処理のための革新的で費用対効果の高い方法。上級社会科学。解像度 J. 9, 39–59 (2022)。

Google スカラー

Dedehouanou、H. & Affokpon、A. 採用の包括的な認識アプローチ: ヤムイモの線虫管理のための革新的なラップとプラント技術。上級社会科学。解像度 J. 9, 355–368 (2022)。

Google スカラー

Dubroeucq、D. ベナン人民共和国、1:200,000 の児童偵察地図 (ORSTOM、1976 年)。

Coyne, DL、Nicol, JM & Claudius-Cole, B. 実践的な植物線虫学: 現場および実験室ガイド (IITA、2007)。

アフォクポン、A.ら。西アフリカの野菜生産システムにおけるネコブセンチュウに対する在来トリコデルマ分離の生物防除の可能性。ソイルバイオル。生化学。 43、600–608 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

Aighewi, BA、Asiedu, R.、Maroya, N. & Balogun, M. ヤムイモ (Dioscorea rotundata Poir.) の生産性を高めるための繁殖方法の改良。食糧確保。 7、823–834 (2015)。

記事 Google Scholar

Claudius-Cole、Meloidogyne Spp. の管理における AO 被覆作物および食用ヤムイモについてのスクテロネマ・ブレイディス、ナイジェリアでの研究。博士論文、大学イバダン（2005）。

Claudius-Cole, AO、Asiedu, R. & Fawole, B. ヤムイモ線虫、Scutellonema bradys を管理するための熱帯被覆作物。内部。 J.害虫管理者。 62、85–91 (2016)。

記事 Google Scholar

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この研究は、ビル & メリンダゲイツ財団 (OPP1118810 および OPP1196989) によって全体または部分的に支援されました。財団の付与条件に基づき、この投稿から生じる可能性のある著者が承認した原稿バージョンには、クリエイティブコモンズ表示 4.0 一般ライセンスがすでに割り当てられています。この研究の一部は、ノースカロライナ州と国立科学財団の支援を受けているノースカロライナ州立大学の分析機器施設 (AIF) で実施されました (賞番号 ECCS-1542015)。 AIF は、国家ナノテクノロジー調整インフラストラクチャー (NNCI) のサイトであるノースカロライナリサーチトライアングルナノテクノロジーネットワーク (RTNN) のメンバーです。著者らは、ノースカロライナ州立大学のケナン工学・技術・科学研究所にも感謝の意を表します。 AAは、W&P技術と野外試験に対するヤムイモ関係者の認識に関する研究への貢献について、H. Dedehouanou、F. Chadare、A. Badou、およびアボメイ・カラビ大学線虫学ユニットの技術スタッフに感謝します。

これらの著者は同様に貢献しました: T. Pirzada、A. Affokpon。

この作品は、SA カーン、CH オッパーマンの著者が共同で監修しました。

ノースカロライナ州立大学、化学および生体分子工学部、米国ノースカロライナ州ローリー

タヒラ・ピルザダ & サード・A・カーン

アボメイ・カラヴィ大学 (UAC)、アボメイ・カラヴィ、ベナン、植物科学部、農業科学部

アントワーヌ・アフォクポン

ノースカロライナ州立大学、昆虫学および植物病理学部門、米国ノースカロライナ州ローリー

リチャード・H・ギュンサー、レニー・マシュー、ティム・L・シット、スティーブン・R・ケーニング、エリック・L・デイヴィス、チャールズ・H・オッパーマン

ノースカロライナ州立大学森林生物材料学部、ローリー、ノースカロライナ州、米国

サチンアゲート、アイタナブレビンズ、メドウィック V. バード、ロケンドラパル

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TP、AA、RM、RHG、LP、AB、TLS、MVB、SA はすべて実験に貢献しました。 TP と AA が論文を書きました。 CHO と SAK がプロジェクトを管理しました。 TP、AA、RGH、LP、SRK、CHO、SAK がデータの分析と解釈に貢献しました。著者全員が議論と原稿の批判的なレビューに貢献しました。

Charles H. Opperman または Saad A. Khan との通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

Nature Food は、この研究の査読に貢献してくれた Hannah Karuri 氏、Fathiya Khamis 氏、およびその他の匿名の査読者に感謝します。

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。

(a) バナナ繊維 (BF) および (b) OCC から作られた紙の表面部分を示す SEM 画像。さまざまな割合で混合した BF:OCC 繊維から開発されたハンドシートの断面の繊維形態の変化を示す SEM 画像、(c) BO82 (80:20)、(d) BO64 (60:40)、(e) BO46 (40:60) と (f) BO28 (20:80)。データの再現性を検証するために、各サンプルの 3 つの独立した複製を 5 つの異なる倍率でスキャンしました。 BF、OCC、およびハイブリッド繊維 (BO) から調製されたハンドシートの (g) 破裂指数、および (h) 密度および空気抵抗 (空隙率に反比例) の変化を示すプロット。エラーバーは、10 回の独立した反復のそれぞれの平均値の標準偏差を表します。ハンドシート。

ソースデータ

(ad) トマト植物を生物指標として使用した温室内での土壌健全性研究のデザインを示す写真。 (e) 土壌健全性研究に基づいた「W&P」テストの設計を提案する概略図。 (f) 土壌中に 7 日間、14 日間、および 21 日間保管した前後のさまざまなサンプルを示す写真。 21日後に土壌から除去した後の(g)BF、(h)BO82、(i)BO64、(j)BO46、(k)BO28および(l)OCCの表面断面を示すSEM画像。赤い矢印は土壌の微生物/マクロ生物の胞子を示しています。通常、各サンプルの 3 つの独立した複製を 5 つの異なる倍率でスキャンして、データの再現性を検証しました。

(a) バナナ紙の繊維の 3D ランダム配向と緩いパッキングを示す X 線断層写真。データの再現性を検証するために、バナナ紙の 2 つの独立した複製を異なる倍率と場所でスキャンしました。 (b) バナナ紙の断面の形態を示す高倍率および低倍率の SEM 画像。データの再現性を検証するために、紙の 3 つの独立した複製を 5 つの異なる倍率でスキャンしました。 (c) 調製したままのバナナ紙 (BP-0)、および土壌中に 7 日間 (BP-7)、14 日間 (BP-14)、および 21 日間保管した後 (BP-21) の応力-ひずみプロット。通常、データの再現性を検証するために、各サンプルの 3 つの独立した複製がテストされます。 (d) 15 回の水和サイクル後の BF、OCC、BO82、および BP からの Abm のバイオアベイラビリティを示すプロット (n = 3)。エラーバーは、各ケースにおける平均バイオアベイラビリティデータの標準偏差を示します。

ソースデータ

(a) ベナンのサヴェ (緑)、グラズーエ (オレンジ)、サバロウ (赤) 地域を示す地図。基本地図は、世界行政区域データベース (GADM; https://gadm.org/) のデータを使用して承認なしに適用されました。）。 (bd) ヤムイモ畑の準備と設営を示す写真。（ e ）アバメクチンを充填したバナナペーパー（BP-Abm）、バナナペーパーのみ（BP）、および農家の実践（FP）と呼ばれる未処理の対照で処理したプロットを含む圃場のランダム化された完全ブロックデザインを示す概略図。

サヴェ (2015-2017)、ガルズエ (2015-2017)、サヴァル (2017-2018) の降雨量データ。

ソースデータ

(a) 収穫時および収穫後 3 か月後のヤムイモ塊茎重量 (g / 塊茎) (最小有意差 (lsd) それぞれ 31.2 および 26.5 α = 0.01)、(b) 3 か月保管後の塊茎の重量減少パーセントを示すデータ。 (lsd = 0.81、α = 0.01)、(c) W&P 処理の影響によるヤムイモの乾燥腐敗 (lsd = 0.10、α 0.01)、および (d) 収穫後 3 か月の生殖因子 (Rf) Scutellonema bradys の 3 = 3 か月後の個体群密度 / 初期 {収穫} 個体群密度 / ヤムイモの皮の g) (lsd = 0.12、α = 0.01)、(e) 1 グラム当たりの Scutellonema bradys の最終個体群密度に対する W&P 処理の影響2015年から2018年のヤムイモの皮（最小有意差 = 1.41、α = 0.01）、および（f）2016年から2018年のW&P処理の影響を受けたScutellonema bradysの収穫後3か月の個体数密度（Pf3/gヤムイモの皮）（lsd） = 2.95、α = 0.01)。データ分析は、3 回の処理と 5 回の反復によるランダム化完全ブロック設計の一元配置分散分析 (ANOVA) で構成されました。組み合わせ分析は、3 つの処理 (BP-Abm、BP および FP)、5 つの反復、26 の農場、および調整なしの 4 年間の要因計画について行われました。すべてのデータ分析は、PC/SAS ソフトウェア (SAS Institute、ノースカロライナ州ケアリー) の一般線形モデル手順 (PROC GLM) を使用して実行されました。平均分離は、Waller-Duncan K 比 t 検定によるものでした。ボックスは Q1 (下位、25 パーセンタイル) と Q3 (75 パーセンタイル) で囲まれ、ひげは最小値 (Q1-1.5*IQR) と最大値 (Q3 + 1.5*IQR)、ボックス内の線で定義される中央値 (IQR)、平均値X で示され、外れ値は点で示されます。

ソースデータ

(a) & (d) Glazoué (2016-2017)、(b) & (e) Save (2016) で 3 か月および 5 か月保管した後の塊茎の重量減少と塊茎の健康状態 (乾燥腐敗とひび割れ) を示す収穫後のデータ-2017) および (c) & (f) Savalou (2017-2018) 地域。部分ａ〜ｃのエラーバーは、算術平均からの標準偏差を示す。

ソースデータ

補足説明、補足図。 1 ～ 3、補足表 1 ～ 5、および参考資料。

ベナンでの圃場試験のセットアップと収穫を示すビデオ。

補足図に示すグラフのソースデータを示す Excel ファイル。 1～3。

応力-ひずみおよびヤング率プロットのソースデータ。

水分収着、アバメクチン結合、および等温滴定結果のソースデータ。

生物活性の保持に関するソースデータ。

収量と線虫の個体数に関するソースデータ。

すべてのプロットのソースデータ。

バーストインデックス、密度、空気抵抗の生データ。

ストレスと生物活性の保持をプロットするために使用される生データ。

降雨パターンのソースデータ。

治療のさまざまな効果を分析するためのソースデータ。

塊茎の健康状態と保管中の重量減少率に関する情報源の日付。

オープンアクセスこの記事はクリエイティブコモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされており、元の著者と情報源に適切なクレジットを表示する限り、あらゆる媒体または形式での使用、共有、翻案、配布、複製が許可されます。クリエイティブコモンズライセンスへのリンクを提供し、変更が加えられたかどうかを示します。この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、素材のクレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブコモンズライセンスに含まれています。素材が記事のクリエイティブコモンズライセンスに含まれておらず、意図した使用が法的規制で許可されていない場合、または許可されている使用を超えている場合は、著作権所有者から直接許可を得る必要があります。このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

ピルザダ、T.、アフォクポン、A.、ギュンター、RH 他。植物バイオマスベースのハイブリッド種子ラップは、サハラ以南アフリカの小規模農家の収量と収穫後の損失を軽減します。 Nat Food 4、148–159 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s43016-023-00695-z

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受信日: 2022 年 7 月 7 日

受理日: 2023 年 1 月 10 日

公開日: 2023 年 2 月 16 日

発行日：2023年2月

DOI: https://doi.org/10.1038/s43016-023-00695-z

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