植物も分岐路を好む？彼らの分岐の知恵と戦略を解読する

制作：中国科学普及協会

著者: 顧丹 (中国科学院植物学研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：生命科学の最新の謎を解くために、中国科学普及の最先端技術プロジェクトは「生命の新知識」と題する一連の記事を立ち上げ、独自の視点から生命現象を解釈し、生物学の謎を明らかにしました。人生の世界を探求し、無限の可能性を探求しましょう。

私たちが住む美しい地球には、さまざまな形や大きさのあらゆる種類の植物が存在します。背が高く優雅なものもあれば、曲がりくねって這うもの、青々と葉が茂ったもの、そしてユニークなものまであります。これらの植物の形状を支配しているものは何でしょうか?

植物にとって、さまざまな形の葉や、さまざまな色や香りの花が最も魅力的であり、美しさの担い手である枝は、植物の外観を形成する鍵となります。植物の枝は、植物の主幹から外側に伸びる枝です。大きな木の枝とは、道端に生えている大きな木から伸びている小枝のことです。

植物にはなぜ枝があるのでしょうか？

動物とは異なり、植物は通常地面に根を張っており、悪条件が発生した場合に逃げることで危険から逃れることはできません。植物は、さまざまな有害事象に対処するために、長い時間をかけて独自の生存メカニズムを進化させてきました。枝分かれは植物が生き残り、自らを守るための重要な方法の一つです。

まず第一に、枝分かれや葉は植物の成長と繁殖を助けます。一部の枝が損傷した場合でも、植物全体の正常な成長が保証されます。第二に、植物のさまざまな分岐方法は、環境に最大限適応することができます。発達した分岐システムにより、植物は水、栄養素、光などの資源を最大限に活用することができます。特定の条件下では、植物は環境条件に応じて最も適した分岐方法を自主的に選択し、良好な生存を確保します。

植物が枝分かれする仕組みは何ですか？

植物はそれぞれ独自の分岐方法を持っており、それによって多様な植物の形が生まれます。

一部の木本植物の主幹は非常に目立ちます。頂芽が継続的に上向きに成長して主軸を形成し、明らかに優勢になりますが、枝の伸長と肥大は主幹に比べてはるかに弱いです。たとえば、道端で見かけるポプラの木は最も典型的な例です。カラマツやメタセコイアなど、ほとんどの裸子植物はこのタイプに属します。寒冷地帯の針葉樹の中には、はっきりとした主幹と枝が密集してピラミッドのような構造を形成するものもあります。これにより、熱の損失を防ぎ、大雪による枝の折れも防ぎます。

画像出典: veer gallery

一部の木本植物の主幹は明らかではありません。上部の芽はゆっくりと成長するか、一定期間後に枯れます。すぐ下の側芽がその役割を引き継ぎ、太い側枝を形成します。一定期間成長した後、成長の優位性は次のレベルの側枝に移り、このサイクルが繰り返されます。この主幹は多くの側枝で構成されています。この形の枝分かれは、リンゴの木などの合基枝分かれと呼ばれ、より多くのスペースを占め、より多くの果実を結ぶのに役立ちます。対生の葉を持つ植物では、枝分かれのパターンが若干異なります。上部の芽の成長が止まると、その下の一対の側芽が同時に成長し、2 つの分岐した側枝を形成します。新しい枝の成長活動は母枝と同じです。たとえば、ライラックの木は典型的な偽二分枝であり、合生枝分かれの特殊な形です。

画像出典: Veer Gallery

イネ科の草本植物に特有の枝分かれ現象を分げつといいます。例えば、イネや小麦は、地下や地表近くに肥大した栄養豊富な分げつ節（分げつが付着する部分）を生成し、この分げつ節に不定根を持つ分げつが生成されます。穂と種子を生産できる分げつ株は有効分げつ株と呼ばれ、穂と種子を生産できない分げつ株は無効分げつ株と呼ばれます。

米

（写真提供：秦慧慧氏提供）

枝はどのように形成されるのでしょうか?

植物の枝の形成には 2 つの重要なステップが含まれます。

まず、葉の基部（葉腋）に、腋生分裂組織と呼ばれる幹細胞の塊を含む分裂組織が形成されます。

腋生分裂組織の形成については 2 つの異なる仮説があります。1 つのモデルでは、腋生分裂組織は植物の最上部の成長点の細胞から直接発生するとされています。これは、初期に大規模な集団に待ち伏せした兵士が、独立して新しい成長点を形成する適切な時期を静かに待っているのと同じです。

別のモデルでは、腋生分裂組織は分化した葉の細胞に由来し、誕生時から頂端成長点から独立しており、葉の腋で成長するとされています。これらの腋生分裂組織は指示を受け取ると活発に​​なり、より速く分裂して、肉眼で見える腋芽を生成します。その後、適切な条件下では、腋芽が成長を続け、枝を形成します。

外部環境が適切でない場合、腋芽は成長を停止し、休眠芽になります。したがって、腋窩幹細胞と腋窩芽の活動が植物の枝形成を決定する鍵となります。

腋窩分裂組織（小さな突起）

画像出典: Current Plant Biology (2015) 13–19

枝の形成と発達に影響を与える要因

枝の成長が何らかの形で制限されない場合、植物の種類（つまり、植物の形状）、繁殖、生存にも悪影響を及ぼします。そのため、植物は枝の発達を制御するための精巧な制御メカニズムを発達させてきました。一般的に、枝の量は遺伝的要因、ホルモン、生育環境など、いくつかの要因によって影響を受けます。

遺伝子は植物の枝分かれの形態に最も大きな影響を与えます。結局のところ、「蒔いた種は刈り取る」のです。しかし、遺伝があるところには変異もあります。トウモロコシの栽培化と育種プロセスはその典型的な例です。トウモロコシに最も近い近縁種は、複数の分げつを持つメキシコのテオシントです。トウモロコシの栽培においては、分げつが少ない、または全くない植物が選ばれる傾向があります。

研究により、トウモロコシには分げつを制御する重要な遺伝子 TB1 が存在することが判明しました。この遺伝子は側方器官の成長を制御し、雌花序の発生を促進することができる中核的な司令官です。

現代のトウモロコシでは、この遺伝子の調節領域に配列が挿入されているため、まるで覚醒剤を服用したかのように、その活性が2倍に増加し、トウモロコシの頂端優勢が大幅に強化され、分げつが減少します。たった一つの遺伝子の活性をわずかに高めるだけで、多くの分げつを持つ植物が、現在栽培されている分げつが少ない植物に変わるというのは、驚くべきことではないでしょうか。

テオシントと現代のトウモロコシ

画像出典：ネイチャーコミュニケーション（2019）10：5608

植物ホルモンは植物の枝の形成に重要な影響を及ぼします。植物ホルモンは、植物内で極微量に生成される化合物であり、多くの生理学的プロセスを調節することができます。中でもオーキシンは枝形成に大きな影響を与えます。

オーキシンはまず植物の頂芽で形成され、これにより頂芽は成長上の優位性を維持しながら側芽の成長を抑制します。オーキシンの合成と輸送の欠陥は植物の枝分かれに影響を及ぼします。既存の研究では、オーキシンを輸送する重要な遺伝子が機能を失うと、植物は「針」構造を形成し、枝を生成しなくなる可能性があることが報告されています。

（写真提供：郭智愛）

また、生育環境も枝の形成に大きな影響を与えます。花や植物を育てるのが好きな人なら、植え付け密度が高すぎたり、水や肥料が不適切だったり、光が不足したりすると、植物は「異常成長」し、植物が細く背が高くなり、弱くなり、枝の数が大幅に減少することがわかることを知っているでしょう。これは植物が環境に適応するための重要な方法です。

植物が生き残るためには、主茎をできるだけ上向きに成長させ、周囲の植物とより多くの光資源を競う必要があります。これにより、植物は一方では茎をより速く伸ばし、他方ではできるだけ早く生殖繁殖を完了するために早く開花します。

植物の枝について学び、日常生活に役立てましょう

植物の枝分かれに影響を与える要因がわかったので、これを活用して花、植物、果物、野菜の植え付けを管理することができます。さまざまなニーズに応じて、さまざまな植物が自身の利益を最大化する適切な数の枝を選択する必要があります。

ほとんどの作物では、適切な枝分かれや分げつは雑草と競合し、果実の房の数を増やすのに役立ちますが、枝分かれや分げつが多すぎると通気性が悪くなり、作物が病気にかかりやすくなり、背が高くなりすぎて収穫量が減ります。

果実形成の特性と栽培目的に応じて、異なる作物の分岐には異なる管理モードが必要です。例えば、一般的なトウモロコシは、優生栽培を実現し、経済的利益を向上させるために、枝分かれや分げつを減らすことで地上構造を改善する必要があります。

しかし、サイレージ用トウモロコシを生産することが目的であれば、植物全体を収穫して家畜の飼料として加工するため、より多くのバイオマスを得るために枝や分げつ数を適切に増やす必要があります。大豆、稲、小麦などの作物では、それぞれの枝/分げつが穀物の付着部位であり、1つの穂/鞘で1つの植物の収量を最大化することは難しいため、適度な数の分げつが必要です。

李嘉陽院士が提唱する理想的な稲の種類

（画像提供：植物ゲノム科学国家重点実験室）

センチピードグラスやメディカゴ・トランカチュラなどの牧草の場合、種子収量、牧草収量、裸地被覆率を向上させるために有効枝を増やす必要がある。トマト、ナス、ピーマンなどの野菜は、枝が伸びすぎて通気性が悪くなるのを防ぐために定期的に剪定する必要があります。果樹は定期的に剪定して、弱い枝や病気の枝を取り除き、強い実のなる枝を一定数残す必要があります。そうすることで、収穫量が大幅に増加します。