大阪公立大、光による植物の成長調節に関わる仕組みを解明

大阪公立大学の研究グループは、暗所で育てたエンドウの芽生えに光をあてた際の「茎の成長」と「接着力」との関係を解析した結果、光によって成長が抑制される際に、両組織の接着力が増加することが確認された。さらに、光を当てることで表皮細胞壁に「p-クマル酸」が蓄積することを明らかにした（ニュースリリース）。

植物の茎の最も外側には表皮があり、その内側には内部組織がある。これらの組織は細胞壁を介して互いに接着しており、植物が成長する際に成長速度を決めているのは表皮であると考えられている。また、内部組織は大きくなろうとする強い力をもち、これが茎の成長の原動力になっているが、硬い表皮がそれを押さえつけることで、茎全体の成長が調節されている。そのため、表皮と内部組織の接着の度合いが成長に影響する可能性が考えられるが、これまでに表皮と内部組織の接着の度合いに着目した研究はなされていなかった。

研究グループは、以前確立した茎の表皮と内部組織の接着力を定量的に測定する方法を用いて、接着力の強さが成長速度の調節にどのように関与しているのかを明らかにすることを目指した。植物は光などの環境の変化に敏感に反応し、成長を大きく変化させる。そこで、光によって茎の成長が抑制される際の表皮と内部組織の接着力を測定し、さらにその変化が起こる仕組みを調べることを目的とした。

今回の研究では、暗所で育てたエンドウの芽生えに光をあてた際の茎の成長と接着力との関係を調べた。その結果、暗所で育てた芽生えに光を当てると、茎の成長が抑制される際に、表皮と内部組織の接着力が増加することがわかった。そこで、接着力が増加する要因を明らかにするために、表皮と内部組織の接着部分の細胞壁を蛍光顕微鏡で観察した。すると、暗所で育てた芽生えの茎は青色の蛍光が観られたが、光をあてた芽生えでは蛍光が強くなるとともに、青色から青緑色へと変化していることが確認された。

次に、この蛍光の変化の原因を調べるために、蛍光スペクトルを取得し、さまざまな物質のスペクトルと比較したところ、光をあてた植物の細胞壁のスペクトルはp-クマル酸と一致した。さらに化学分析の結果、p-クマル酸が特に表皮の細胞壁に多く蓄積していることが明らかになった。したがって、p-クマル酸の蓄積が表皮と内部組織の接着を強める要因になっていると考えられる。この研究は、光によって表皮と内部組織の接着力が変化し、その結果として茎の成長が調節されるという、新たな植物の成長制御メカニズムを示すものだという。

今回の研究では、光による茎の成長調節に、表皮と内部組織の接着力の変化が関わっていることを明らかにした。しかし、光以外の要因による成長調節においても接着力が関与するかどうかは、まだわかっていない。今後、さまざまな要因によって茎の成長が変化する際の表皮と内部組織の接着力を測定することで、この接着力の変化を介した成長調節が普遍的なしくみであるかどうかが明らかになると期待される。これは、植物の成長制御に関する新たな知見につながるものとしている。

また、今後は、p-クマル酸がどの細胞壁成分に結合し、どのようにして接着力を増加させているのか、さらに、p-クマル酸の合成や細胞壁への結合が光によってどのように制御されているのかを明らかにすることが重要な課題となります。

今回の発見は、細胞壁同士の強固な結合を模倣・応用することで、工業材料の強度向上に資する新規材料開発につながる可能性を示しています。さらに、細胞壁中のp-クマル酸の蓄積量を調節した植物を作り出すことで、茎の剛性や成長を制御する技術への応用も期待されます。