ビデオ: 光の効果は、植物が Ca2+ 信号を使用して脅威にさらされている隣人からの空中警告メッセージにどのように反応するかを示しています。 © 豊田正嗣/埼玉大学
キャタピラの攻撃が空中にあります!研究者らは、近隣からの脅威を「嗅ぎ分け」、それに応じて自らを武装させる植物の不思議な能力について新たな洞察を獲得した。彼らは、発光検出法を使用して、どの揮発性物質がこれらの警告を伝えているかを文書化することができました。これはまた、差し迫った攻撃に対する軍備の発動につながる、受信側のプラント内で信号伝達がどのように行われるのかを詳細に示した。
彼らは無力に見えますが、植物も敵に対して無防備ではなく、脅威に反応することができることが研究によって示されています。一部の植物は、毛虫などに攻撃されると、有毒で苦い物質を生成したり、硬化した組織構造を発達させたりします。これらの反応は、害虫が葉を刺したときに植物内にメッセンジャー物質としてカルシウムイオン（Ca 2+ ）が広がることに基づいています。しかし、1983 年に初めて発見されたように、植物の防御システムはさらに洗練されています。植物は損傷を受けると揮発性有機化合物を空気中に放出します。まだ影響を受けていない隣人は、これらの物質の「匂い」を嗅ぎ、それを危険信号として利用し、差し迫った脅威に対する防御措置を開始することができます。この形式のコミュニケーションは現在、多くの植物種で記録されています。しかし、知覚と防御の発動の根底にある正確なメカニズムは、これまでのところ不明のままです。
植物のコミュニケーションは文字通り光を放つ
主任著者である埼玉大学の豊田正嗣氏が率いる研究者らによる研究は、このギャップを埋めた。彼らの実験には、科学のモデル植物であるターレ クレス シロイヌナズナが使用されました。特殊な特性を持つように遺伝子操作された育種系統が使用されました。これらの試験植物は、蛍光を発してカルシウムイオンに反応する特定のタンパク質センサーを組織内で発達させます。これにより、これらの植物メッセンジャー物質が植物内でどのように形成され、拡散するかを観察することが可能になりました。
まず科学者らは、毛虫に寄生された植物から吸い出された空気に対して試験植物がどのように反応するかを調べた。蛍光画像は、害虫の侵入を「風に受けて」から数秒以内に植物内でカルシウムイオンシグナル伝達がどのように引き起こされるかを記録しました。しかし、どの化学メッセンジャーが重要なのでしょうか?まず第一に、植物は明らかに毛虫自体の「匂い」を感じないことが再び明らかになりました。 「手で砕いた葉から放出される揮発性物質も、損傷を受けていない近隣の植物にCa 2+信号を引き起こしました」とトヨタは言う。次にチームは、これらが正確にどのような物質であるのかを調査しました。さまざまな化合物を投与したときの蛍光反応の観察により、葉が損傷したときに放出されるアルデヒド基の代表的な2つが、少なくともシロイヌナズナでは重要であることが明らかになりました。
信号伝達により装甲機構が作動する
試験植物の遺伝子活性を調べることで、研究者らは2つの「警告物質」の重要性をさらに確認することができた。植物は、植物防御に機能することがすでに知られている遺伝形質を上方制御することによってこれらの物質に反応した。シグナル伝播と防御反応の関係を正確に示すために、科学者たちはいくつかの試験植物をカルシウムイオン系をブロックする物質で処理しました。その結果、防御発動が起こらなくなりました。現在では、2 つのアルデヒドが Ca 2+依存的に防御反応を引き起こすことが明らかになっています。
詳細な写真にも記載されているように、いわゆる気孔は植物の「嗅覚」において重要な役割を果たしています。 「植物には鼻がありませんが、この気孔は葉の組織の隙間に空気が入る入口として機能します」と豊田氏は言う。気孔の豆の形をした孔辺細胞が、暴露後 1 分以内に最初に反応してカルシウム イオンを放出することが示されました。次に葉肉細胞、最後に表皮下部細胞が攻撃します。
トヨタは次のように結論づけています。「脅威にさらされている近隣諸国からの航空警報に植物がいつ、どこで、どのように反応するかという複雑な経緯がついに明らかになりました。このエーテル通信ネットワークは私たちの視界から隠されたままですが、植物界の防御システムにおいて重要な役割を果たしています」と科学者は言います。
出典: 埼玉大学、専門記事: Nature Communications、doi: 10.1038/s41467-023-41589-9
