彼らは土壌から水と栄養素を得るはずです – 私たちが知っているように、これが起こるためには根が下向きに成長する必要があります。しかし、どの方向に進む必要があるかをどうやって知ることができるでしょうか?研究者たちは現在、植物の配向システムとその進化の歴史について新たな洞察を獲得しています。
これは進化の歴史の中で最も重要なステップの 1 つでした。約 5 億年前、今日の植物の祖先は水中から陸地に広がりました。新しい環境での地位を確立するために、彼らはますます強力な根を築きました。これらの器官を通じてのみ、彼らは陸上に定着し、水と栄養素を集めて植物の地上部分に供給することができました。特に重要な点が 1 つありました。成長する際、根は重力に従って下層土に根を張る必要がありました。
このいわゆる重力屈性の機能原理が、オーストリア科学技術研究所（クロスターノイブルク）の張佑州氏率いる研究者らの研究によって再び明らかになった。彼らはまた、植物界全体にわたるプロセスの比較を初めて提示し、それによって根の配向システムの進化的発展の歴史について結論を引き出すことが可能になります。
ずっしりとしたでんぷん粒が状況を伝える
根の重力屈性は、高度に発達した開花植物においてすでによく研究されています。これは、重力の知覚、対応する信号の伝達、そして最終的には下向きの成長反応という 3 つのステップに基づいています。開花植物は、いわゆるアミロプラストを介して、根の先端にある特別な細胞で重力を「感じます」。これらはでんぷんで満たされた構造であり、重力に従って下に沈みます。それらの位置に応じて、方向情報に関連するメッセンジャー物質オーキシンの放出が引き起こされます。その後、このホルモンは根の成長領域に移動し、そこで下側の伸長を阻害します。これにより、根が成長するにつれて下向きの曲がりが生じます。
研究の一環として、科学者らは現在、コケ、クラブモス、シダ、裸子植物、顕花植物など、進化の異なるさまざまな時代のさまざまな植物種の根の成長を調べている。彼らは根が水平な位置で成長できるようにし、重力に従って下向きに曲がり始めるかどうか、またいつ曲がり始めるかを観察しました。結果: 重力による根の成長は、最も原始的な陸上植物であるコケだけでなく、初期の維管束植物であるクラブモスやシダでもすでに起こっていますが、それは比較的弱く遅いものでした。より高度に発達した種子植物だけが、重力の方向に急速かつより効率的な根の成長を示しました。それは約 3 億 5,000 万年前に出現した裸子植物と顕花植物です。
3 億 5,000 万年間の感度
研究者らはさらなる調査を通じて、どの進化的革新が重力への素早い反応を可能にしたのかについての洞察を獲得した。結局のところ、重力センサーであるアミロプラストは、裸子植物や顕花植物の根の先端の最下端にのみ位置しています。しかし、進化の古い植物では、アミロプラストは根組織に多かれ少なかれランダムに分布しているため、現代の種子植物よりも有効な感覚機能が発揮されません。研究チームはまた、モデル植物シロイヌナズナにおいて、PIN2と呼ばれるこれまで知られていなかったトランスポーター分子を同定することにも成功した。このトランスポーター分子は、より高度に発達した植物におけるオーキシンの流れを制御し、根の成長を開始させるようである。
こうして科学者たちは、根の重力屈性現象の進化、ひいては種子植物の陸上生活への中心的な適応過程の一つについての重要な洞察を獲得した。彼らが強調しているように、その結果は実用的な応用も可能である。「植物が土壌にしっかりと定着し、水や養分にアクセスできるようにするシステムについての洞察を得ることで、いつか私たちは次のような方法を開発できるかもしれない。非常に乾燥した土壌では作物を育てるのが簡単です」とチャン氏は言います。
出典: オーストリア科学技術研究所、専門記事: Nature Communications。土井:10.1038/s41467-019-11471-8
