飼料作物の蛋白質生産性に関する研究

飼料作物の乾物集生産と品質(飼料の栄養価値)の両者を改善し、蛋白質生産の向上を図るために、①各葉蛋白画分に着目しつつ、乾物生産、蛋白質含有率、葉蛋白質生産の相互関係を明らかにし、②圃場条件下で、葉蛋白質生産速度を向上させるための肥培管理法を検討し、③西南暖地において最適の肥培管理をした場合の最高葉蛋白質生産量を推定し、④さらに、葉蛋白質生産量の草種間比較を行った。その結果は次の通りである。

(1) ある時点の葉蛋白質増加速度を葉蛋白質生産速度(PPR)と呼び、それを葉の乾物生産速度(L-GR)とその生産された乾物の蛋白質含有率(pN%)とに解析した。これらの概念は葉蛋白質生産性の把握とその草種間差異の解析に有効である。

(2) 地上部窒素のうち、茎部では非蛋白態窒素の割合が多く、地上部の蛋白態窒素の70%以上は葉部に存在し、また、光合成を司る酵素蛋白質はほとんど葉部に存在する。そして葉蛋白質画分のうち、タロロプラスト態蛋白質画分と光合成能との間こ正の相関が認められた。

(3) 光合成能は葉蛋白質密度の上昇に伴って、ソルガム、シコクビエ、オオクサキビ、ローズグラスで各々6.5、7.0、6.0、5.0mgN/cm²まで上昇するが.これらの値以上に葉蛋白質密度が上昇しても光合成能は上昇せず一定の高い値に保たれる。一方、飼料としての品質面からみれば、タロロプラスト態蛋白質や細胞質蛋白質の増大は消化率を向上させ、栄養価値を高めるので、飼料作物においては光合成能を向上させるために必要な値以上に、葉蛋白質密度を高め、葉蛋白質生産量を向上させることが、品質を高める上で重要である。

(4) ソルガムのPPRは窒素供給不足、日射量不足、低温によって低下した。このPPRの低下は、光不足の場合は主としてL-GRの低下に窒素供給不足と低温の場合は主としてpN%の低下に起因した。植物体集積窒素の葉部への分配割合は窒素供給不足、日射量の減少、低温で低下した。葉部全窒素中の蛋白態窒素の割合は日射量の減少、窒素の多量供給により低下した。しかし、増加葉蛋白質のクロロプラスト態蛋白質、細胞質蛋白質および構造性蛋白質への分配割合は窒素供給の増加、窒素源、光、温度によってあまり影響されなかった。ただし、窒素が著しく不足すると、クロロプラスト態蛋白質と細胞質蛋白質への分配割合が低下した。

(5)ソルガムのPPRの最大値および刈取りまでの平均葉蛋白質生産速度([PPR])は密植・多窒素条件で高く、370本/m²・240kgN/haにおいて、[PPR]は183mgN/m²/日であり、1回刈(発芽後46日目)の葉蛋白質生産量84kgN/haであった。その場合の乾物生産量は12.6l/haであり、葉蛋白質含有率(地上部乾物に対する葉の蛋白態窒素の割合)は0.67%であった。この場合、生育中期(栄養生長中期)からpN%が2%以下に低下した結果.葉蛋白質密度、LAI増加速度、L-GRとCGRが順次低下した。それに対して、栽植密度は同じとし、さらに基肥として240kgN/haの窒素を増加した場合は、生育中期以降もpN%が高く維持され、葉蛋白質密度が上昇し、L-CR、CGRがより長期間高く維持され、PPRが高く維持され、葉蛋白質生産量が増加した。すなわち、栽培期間120日間で3回の刈取りの[PPR]の平均は258mgN/m²/日で、その間の合計葉蛋白質生産量は310kgN/haとなり、その場合の乾物生産量は29t/haであり、葉蛋白質含有率は1.1%に上昇した。

(6)本研究のソルガムの最高収量は、刈取り毎のCGRおよび"quivclent yield"で示すと各々34g/m²/日と45.9g glucose/m²/日となり、それらを指標とした世界の記録的高収例(各々28.4g/m²/日/14.2g glucose/m²/日[収穫部位のみで収穫指数0.50])と比較して高かった。

(7)ソルガムで認められた上記の傾向は他の草種においても基本的にはあてはまる。ただし、シコクビエでは700個体/m²、ローズグラスでは3400個体/m²以上の栽植密度にすると、生育初期から相互遮へいによる光不足と土壌の窒素供給速度が制限因子となり、pN%が低下した。

(8)西南暖地で最適な肥培管理だをした場合の各草種の葉蛋白質生産可能水準量を、本研究で得られた刈取り毎のL-GR、pN%およびLAI、刈取り時の葉蛋白質密度の最大値を用いて推定した結果、その値はソルガム、シコクビエ、ローズグラス、イタリアンライグラスで各々420、550、240、576kgN/haであり、その場合の乾物生産量は各々35、35、26、32t/haと推定された。なお、栽培可能期間はソルガム、シコクビエ、ローズグラスでは6月～9月であり、イタリアンライグラスでは10月～5月であるので.年間の葉蛋白質生産可能水準量はイタリアンライグラスとシコクビエの組合せで最も多く、1026kgN/haで、その乾物生産量は67t/haと推定された。

(9)シコクビエやイタリアライグラスが高い蛋白質生産性を示す要因は、シコクビエではL-GR、 イタリアンライダラスではpN%が特に高いことと、両草種とも葉/茎乾物重比が高い点にある。

(10)葉蛋白質生産性の高い草種は、葉面積拡大速度が高く、葉が厚く、葉蛋白質密度が高く、窒素吸収能が高く、植物体集積窒素の葉部への分配割合と増加葉蛋白質のクロロプラスト態蛋白質や細胞質蛋白質への分配割合が高く、窒素吸収や葉蛋白質生産呼吸効率も高い。

(11)以上を総合すると、日射量が多く、適温で、窒素供給が十分であれば、葉蛋白質が盛んに合成され、そのためにクロロプラスト態蛋白質や細胞質蛋白質が増大し、葉蛋白質生産量が増大する。また、葉蛋白質生産が向上すると、まず乾物生産が向上L、さらに葉蛋白質生産が向上すると、葉蛋白質含有率が上昇して品質が改薄されると結論できる。実際栽培で葉蛋白質生産量を増大させるためには、PPRを高め、刈取り時までPPRを高く維持して[PPR]を向上させることが必要であり、そのための条件は各草種とも密植・多窒素条件で、早期に刈取り・再生長させることであるが、さらにそれぞれの草種については以下のような条件を満足させれば良い。(a)ソルガムでは350～400本/m²程度に密植にし、葉/茎乾物重比を高め、葉を厚くし、増加葉蛋白質のクロロプラスト態蛋白質や細胞質蛋白質への分配割合を高め、窒素吸収能を高める。(b) シコクビエやオオクサキビではL-GRが高く、窒素吸収能も高いので、特に窒素供給条件を良くする。シコクビエでは栽植密度を700個体/m²程度とする。(C)ローズグラスでは3400個体/m²程度の栽植密度とし、葉を厚くして葉蛋白質密度を高め、葉部集積窒素の同化を促進して、葉部全窒素の蛋白質割合を高める。

In the production of forage crops, especially warm sesson grasses, it is necessary to improve not only the dry matter production but also the nutritive value for animals (quality of forage crops). Nitrogen nutrition of leaves is closely related to both the dry matter production and quality of forage crops. The purpose of this study is to clarify the conditions for the establishment of techniques to produce efficiently the leaf protein fraction which contributes to the improvement of photosynthetic rate and quality of forage crops. The results obtained are summarized as follows:

1) The leaf protein of sorghum (Sorghum vulgare PERS, Sweet Sioux IV) was 70-804000f the total protein produced during its growth period. The leaf protein was fractionated into chloroplastic, cytoplasmic and structural protein. The chloroplastic protein was about 5027777707400f the whole leaf protein, and it was found out that its content per plant varied greatly with the change in the growth environments. Accordingly, it was considered that the chloroplastic protein may be responsible mainly for variation in photsynthetic rate and leaf expansion rate.

2) When the forage crops are grown under the conditions of optimum temperature and adequate supply of solar energy and nitrogen, chloroplastic and cytoplasmic protein can be vigorously synthesized in them, and as the result, the total leaf protein remarkably increases. In sorghum, African millet (Eleusine corocana GARTN ), Fall panic (Panicum dichotemiflorum MICHX, Kagawa native) and Rhodesgrass (Chloris gayana KUNTH, Fords Katambora). photosynthetic rate and leaf-area expansion rate increased linearly with the increasing rate of leaf protein density (the amount of leaf protein per unit leaf area) at the range of 0-6.5, 0-7.0, 0-6.0 and 0-5.0 mg N/dm² respectively, but had a tendency to be constant at the range of the leaf protein density above them. Therefore, the dry matter and protein production in sorghum, African millet, Fall panic and Rhodesgrass will be improved by increasing the leaf protein density at the range of the abovementioned values, and especially the protein production will mainly increase if the range of the leaf protein density can be kept over the above-mentioned values.

3) As nitrogen tends to be insufficient for crop growth in the field, it is necessary to increase not only plant density but also nitrogen application rate in order to increase leaf protein production by grasses. High value of mean crop growth rate (34 g/m²d) and leaf protein yield (310 Kg N/ha) were attained in this study by the sorghum which was grown under the conditions of high plant density (370 plant/m²) and heavy nitrogen application (480 Kg N/m² ).

4) The possible maximum yields of leaf protein of the four grasses were estimated by using the data which was obtained in the fields experiments. The maximium yield of leaf protein of African millet (550 Kg N/ha) and that of Italianryegrass( 576 Kg N/ha) are higher than those of sorghum (420 Kg N/ha) and Rhodesgrass (240 Kg N/ha). African millet and Italian-ryegrass showed higher value than sorghum and Rhodesgrass in the following parameters; leaf-stem ratio, thickness of leaf, nitrogen uptake ability, leaf protein density, proportion of protein-N to total-N in leaf, and proportion of chloroplastic and cytoplasmic protein to total leaf protein. The conditions to maximize leaf protein production in sorghum and Rhodesgrass which were made clear on the basis of the above-mentioned characteristics of each forage crop are: Sorghum: To increase leaf-stem ratio, thickness of leaf, nitrogen uptake ability, and proportion of chloroplastic and cytoplasmic protein to total leaf protein. Rhodesgrass: To increase thickness of leaf, leaf protein density, and proportion of protein-N to total-N in leaf.