愛よりも、柱頭の方が花粉を抱きしめるのです！植物は受粉するために最善を尽くす

制作：中国科学普及協会

著者: 李 銀 (中山大学生命科学学院)

プロデューサー: 中国科学博覧会

植物は固着生活を送ります。彼らのほとんどは静かで、自ら動くことはありません。

しかし、ミモザの葉に触れると縮んで垂れ下がったり、捕虫器が閉じる動きなど、一部の植物は特別な状況下では明らかに観察可能な動きをすることができます。

ハエトリグサの葉が閉じる動き

（画像出典：参考文献[1]）

動物は収縮筋を使って体の形を変え、動きを生み出します。植物の動きの主な原理は、細胞が水分を吸収したり失ったりすることで、流体の静力学的な力と浸透圧を利用して一部の組織層の細胞を膨張させたり収縮させたりすることで、器官に可逆的で劇的な形状変化を引き起こすことです。これらの細胞は運動細胞と呼ばれ、浸透圧が変化すると膨張（または収縮）して運動を生み出します。しかし、詳細な細胞メカニズムは十分に理解されていません。

動物の筋肉の収縮運動と植物細胞の膨張運動

（画像出典：参考文献[3]）

植物はなぜ運動するのでしょうか？どのように動くのでしょうか?

収縮細胞：斑入りスパティフィラムの動きの秘密

最近、中国科学院植物研究所の王銀正氏のチームは、Chirita pumila に関する研究で新たな発見をし、植物の運動器官内の細胞メカニズムに関する新たな知見を提供した。

斑入りリップコラムモスは、イワタバコ科リップコラムモス属の一年生草本植物です。その花の柱頭には感動的な特徴がある。現地観察中に、研究チームはこの植物の柱頭が双方向に開く動きと閉じて曲がる動きを生み出すことができることを発見しました。柱頭は水に敏感で、その動きは概日リズムの特徴を持っています。

斑入り葉唇柱の花芽の解剖学

（画像出典：参考文献[6]）

研究チームは斑入り唇弁の柱頭を解剖学的に分析した結果、柱頭が水を吸収すると、柱頭にある一種の層状細胞が水分を吸収した後に著しく伸長し、伸長した長さは細胞の元の長さの8倍以上に達する可能性があることを発見した。

このタイプの細胞は柱頭板の体積の半分を占め、柱頭の伸長と収縮の動きに密接に関係しているため、「収縮細胞」と名付けられています。収縮細胞は、昼夜の湿度の変化に応じて可逆的な伸長と収縮の変化を起こし、柱頭に概日リズム運動を生じさせます。

柱頭の日周運動

（画像出典：参考文献[6]）

研究チームはクライオ電子顕微鏡を用いて、収縮細胞が新しいタイプの細胞であることを発見した。細胞は網状構造で満たされ、核は端に押しやられています。これらの細胞には、実質細胞のような大きな中央液胞がありません。

細胞を満たす網目構造は、水に敏感な粗面小胞体です（小胞体は、高等生物の細胞内で単位膜の層によって形成された小胞、小胞、管状の構造で、連続した網状組織を形成しています。リボソームが付着した小胞体膜の外側の表面は、粗面小胞体と呼ばれます）。収縮細胞内の粗面小胞体は、水分を吸収して膨張することで収縮細胞を伸長させ、柱頭の移動につながります。この特殊な形の粗面小胞体も初めて発見されました。

クライオ電子顕微鏡による収縮細胞と薄壁細胞の比較

（画像出典：参考文献[6]）

なぜ移動するのですか?独自の生殖保護戦略

同属の他の種と同様に、斑入りリップコラムモスの花器官の形態は昆虫による他家受粉に適しています。同様の構造は多くの植物に存在し、昆虫による受粉を促進し、自家受粉を防ぐことで遺伝的多様性を維持するのに役立ちます。

このタイプの構造では、向かい合って接着した 2 つの隆起した葯が、湾曲した柱頭層の背面と花柱の間に位置し、柱頭の下方に伸びる上部の受粉面が葯から離れています。これは典型的な抗自殖構造であり、花の中の花粉が自身の花柱の受粉面に接触することを困難にする。

しかし、斑入りの唇形スパティフィラムは例外で、通常は開花前に蕾の中で自家受粉を完了します。

観察結果によると、柱頭と葯は同期して成熟し、自家受粉のプロセスも柱頭による葯の機械的圧迫と同期していることがわかりました。柱頭板が葯に機械的圧力を加え続けると、葯が圧迫されて変形し、大量の花粉が花粉通路から強制的に排出されやすくなります。

水感受性実験では、柱頭のラメラは水にさらされると閉じて曲がった。

（ビデオ出典：参考文献[6]）

水分が失われるにつれて、柱頭層は徐々に元の状態に戻ります。

（ビデオ出典：参考文献[6]）

このタイプの柱頭の動きは非常に特殊で、2つの柱頭裂片の間に葯裂孔につながる花粉の通り道が残ります。柱頭の小板が曲がると、葯を圧迫し続け、花粉は通路から直接排出され、柱頭の受粉面に広がり、自家受粉が完了します。

柱頭水感受性試験の側面図

（画像出典：参考文献[6]）

柱頭運動の3Dモデル

（画像出典：参考文献[6]）

この柱頭の開閉および曲げ動作により、本来の交配が厳密な開花前の自家受粉、すなわち閉鎖花受粉に変化するようです。

これは、植物が受粉環境の不確実性に適応するための独自の生殖保証戦略です。受粉昆虫の活動を制限する高湿度環境でも、自家受粉プロセスは完了することができます。

さらに遺伝子発現解析を行ったところ、これらの細胞で発現している遺伝子も実質細胞のものとは異なっていることが判明しました。特に柱頭の発達と成熟の後期段階では、収縮細胞における遺伝子発現の特異性はより顕著であり、小胞体、膜シグナル伝達、免疫応答に関連する多くの遺伝子の発現が実質細胞におけるものと有意に異なることが検出された。

この柱頭の繰り返しの閉じる・曲がる運動は、植物の有性生殖にとって機能的な意義を持っています。研究チームは、将来、この新しい細胞型がどのように発生したか、特にその起源の分子メカニズムと進化の過程、そしてこの特殊な生殖戦略が他の系統の顕花植物にも見られるのかどうかを明らかにできることを期待している。

結論

人間が長期的な生存を確保するためにさまざまな技術を使用するのと同様に、植物も環境の変化に適応するためにさまざまな戦略を採用しています。まさにこの環境との相互適応のプロセスにおいてこそ、自然界の種は豊かで多様性を保っているのです。

参考文献:

[1] Dumais J および Forterre Y. Annu Rev Fluid Mech、2012、44: 453–78。

[2] Liu BL、et al.植物細胞組織器官カルト、2014年、118：357–71

[3] 真野 浩・長谷部 雅俊 J Plant Res, 2021, 134: 3–17.

[4] Morris RJとBlyth M. J Exp Bot、2019、70：3549–60。

[5] Sachse R、et al.米国科学誌、2020、117：16035–42。

[6] 王YZ、他Natl Sci Rev、2023、10：nwad208。