新たな科学的発見！日照時間は植物の種子の成長と発育にどのような影響を与えますか?

制作：中国科学普及協会

著者: 胡一龍（中国科学院華南植物園）

プロデューサー: 中国科学博覧会

哲学者は、世界に同じ葉は二つ存在しないと言いました。

植物学者は、全く同じ種子が二つ見つかることは決してないと言います。

異なる種の種子は、外観、大きさ、色、栄養成分が大きく異なり、同じ種の種子でも異なります。これらの変化の原因は環境の変化と遺伝子の変異です。

大小さまざまなこれらの違いの中で、最も直感的にわかるのは種子の大きさです。農業経験がなくても、目の前に2種類の種が置かれたら、粒が大きく実っている方がよい種だと判断できると思います！

数千年にわたる作物の栽培化の過程で、米、大豆、トウモロコシなどいくつかの重要な食用作物の人工栽培化はすべて、種子が小さいものから大きいものへと変化するプロセスを経てきました。さらに、種子に含まれる栄養素は種子の発芽に必要なエネルギーを供給します。大きくて充実した種子はよりよく発芽し、それによって生命のスムーズな継承が保証されます。

では、大きくてふっくらとした高品質の種子を育てるにはどうすればいいのでしょうか?

畑の熟した小麦の穂

（写真提供：Veer Gallery）

植物の成長調節因子としての光周期

地球の自転により、一日の中で昼と夜が交互に訪れ、地球が太陽の周りを公転することで、一年を通して昼の長さが変わります。 1 日 24 時間以内の明るい期間と暗い期間の長さのこの交互を光周期と呼びます。

光周期は自然界で最も安定した環境要因です。夏至と冬至は、一年のうち、それぞれ最も明るい期間が長い日と最も短い日です。地球上の生物は光周期を通じて季節の変化を感知し、最も適した季節に成長、発達、繁殖を完了することができます。人々は季節の変化に合わせてさまざまな農業生産活動も行っています。

農業生産において、最も関心が高いのは、植物の開花時期が光周期にどのように反応するかです。植物は開花を誘導する日照時間の長さによって、長い日でも開花を誘導する長日植物、短い日でも開花を誘導する短日植物に分けられ、さらに、光周期に鈍感な中日植物や中性植物もあります。

長年にわたり、光周期が植物の開花に与える影響とその背後にある分子メカニズムについては比較的明確に理解されてきましたが、それが開花後の発育、特に種子の発育にどのように影響するかについては不明のままです。しかし、花と光周期に関するこれまでの研究との類推から、種子の成長も日照時間の長さに応じて調節できるのではないか、というアイデアが浮かびました。

種から芽まで

（写真提供：Veer Gallery）

種はどうやって大きくふっくらと育つのでしょうか?これは日光への露出に関係していますが、常に太陽の下にいる必要はありません。

実際、植物の種子の大きさは光周期と密接に関係しています。

近年、中国科学院華南植物園の胡一龍/侯星良の研究チームは、植物の種子の発育の研究に重点を置いてきました。環境要因が植物の種子の大きさにどのように影響するかという観点から出発し、私たちは日照時間（光周期）が種子の大きさに影響を与えるという普遍的な法則を発見しました。研究を通じて、私たちは光周期と種子の大きさの関係を発見しただけでなく、植物の光周期に反応する遺伝子、CO遺伝子も発見しました。それで、具体的な実験はどのように行われたのでしょうか?

まず、研究者らは代表的な光周期特性を持つ2種類の植物、すなわち長日植物であるミヤコグサ、エンドウ、シロイヌナズナと、短日植物である大豆、アズキ、インゲンマメを研究対象に選びました。

実際、これらの植物が属するカテゴリーを見るだけで、長日植物は太陽を好み、長日条件下でふっくらとした種子を育てることができるのに対し、短日植物の場合はその逆である、という推測をするのは難しくありません。

確かにその通りです。研究者たちは、異なる光周期条件下でこれらの植物の種子の大きさを観察することによって、普遍的な法則を持つ興味深い現象を発見しました。 3 種類の長日植物 (ハス、エンドウ豆、シロイヌナズナ) は、短日よりも長日の方が大きな種子を生産しましたが、3 種類の短日植物 (大豆、アズキ、インゲン豆) は短日の方が大きな種子を生産しました。

現在、私たちは、植物によって成長に適した光の期間が異なることを知っています。すると、再び疑問が生じます。ある植物は太陽を好み、他の植物はそれほど太陽を好まないのは、植物の中でどのようなメカニズムが働いているからでしょうか?

その後、研究者らは長日植物であるシロイヌナズナについて詳細な研究を行い、光周期応答因子CO遺伝子が重要な役割を果たしていることを発見した。 CO 遺伝子が変異すると、植物は異なる光周期で同じ大きさの種子を生成します。

植物が異なる光周期に対して異なる反応を示すのは、CO 遺伝子の機能によるものであることが判明しました。その後、バイオインフォマティクス、遺伝学、分子生物学などの方法を通じて、研究者らは、CO遺伝子が転写因子AP2の転写を直接阻害し、光周期に依存して種子の大きさを調節することを発見した。さらに細胞形態の観察と分析を行ったところ、CO 遺伝子は種皮の表皮細胞の数を増やすことで種子の大きさに影響を与えることがわかりました。

その中には興味深い発見もありました。研究者らは、母方の親由来のCO遺伝子のみが種子の大きさを調節する機能を持ち、父方の親由来の遺伝子は種子の大きさに影響を与えないことを発見した。

アラビドプシスの CO 遺伝子にはこのような調節機能があるだけでなく、研究者らは、作物である大豆でも CO 遺伝子が同様の機能を持つことをさらに検証しました。

光周期誘導による種子発育における CO 遺伝子の役割

（画像出典：参考文献[1]）

結論

現在では、光周期が種子の発育に直接的な制御効果を持ち、CO 遺伝子がこの過程において中心的な役割を果たしていることがわかっています。

古い諺にあるように、すべてのものは太陽の助けによって成長します。太陽は光と熱を提供し、植物は季節の変化を感知するために太陽に頼っています。植物によっては太陽を好むものもあれば、あまり好まないものもあります。環境要因が種子の発育に直接及ぼす影響を理解すれば、地域の状況に適応して、より高品質で充実した種子を栽培し、より強くて収穫量の多い作物を栽培できる可能性が高まり、「食料を手に入れても心の中では慌てない」という目標を実現できるでしょう。

参考文献:

[1] https://www.nature.com/articles/s41477-023-01350-y

編集者：郭 雅新