巧妙な繁殖、休眠の制御...種子は繁殖するために非常に賢いのです!

制作：中国科学普及協会

著者: Li Yu、Zhao Jun (中国科学院植物学研究所)

査読者: 劉永秀 (中国科学院植物研究所)

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。

私たちの青い惑星には、あらゆる形や大きさの植物が存在します。春の蘭、夏の蓮、秋の菊、冬の梅…四季を彩り、私たちの暮らしを豊かにしてくれます。

種子は植物の知恵の現れです。それらは個体群の希望を担い、さまざまな手段で生育に適した場所に広がり、適切な時期に発芽することで、植物個体群の存続を実現します。種子の繁殖と発芽のメカニズムは、自然界の植物が環境に適応する素晴らしい知恵を示すものであり、科学界が長らく注目してきた重要なテーマでもあります。

種を撒く方法はたくさんある

種子植物は、風による散布、水流による散布、カタパルトによる散布、動物による散布など、自然界のさまざまな力を利用して子孫を広め、種子が発芽に適した環境や空間に到達できるようにすることで、種子散布に役立つさまざまな方法を進化させてきました。

植物の中には、種子を風で遠くまで運べるように「小さな翼」を作るものもあります。種子の中には、ココナッツや蓮の実のように、水に浮かんで新しい環境に漂い、そこで根を張り発芽することができる、生まれながらの「泳ぎの上手な種」もあります。

風による伝播と水による伝播

（写真提供：Veer Gallery）

人獣共通感染症のコミュニケーションは、植物と動物の間のやり取りとして考えることができます。動物は植物の果実を食べ、種子を他の場所に排泄します。このようにして、動物は餌を手に入れ、種子は「チケット」を手に入れます。たとえば、リスは松の実を集めて保管しますが、松の実は食べられたり、忘れられたり、紛失したりします。その中で、ネズミの口から「逃げ出した」松の実は、新たな場所に根を張り、芽を出すこともある。これらに加えて、動物を介して伝染する別の植物として、強制的に乗り移るシビリクム（Xanthium sibiricum）があります。

動物による感染

（画像出典：参考1）

さらに、一部の植物の果実は熟すと破裂し、種子を四方八方に飛ばします。スイカ、エンドウ豆、菜種の種子もこの方法で撒かれます。

カタパルトの伝播（ビデオソース：スミソニアンチャンネル画像変換）

マングローブ植物は、長い進化の過程で、沿岸潮間帯の潮の満ち引き​​という不安定な環境に適応するために、独特の「胎生」繁殖戦略を進化させてきました。この戦略により、種子は果実内で発芽し始め、棒状の胚軸に成長することができます。胚軸がある程度発達すると、母木から離れ、重力の作用で浜辺の泥の中に落ち、すぐに根を張り、新しい個体に成長します。この胎生現象は、マングローブ植物が沿岸の生息地に適応する上で重要な現象であり、塩分濃度が高く酸素が不足している沼地でも植物が効果的に繁殖し、生き残ることができることを保証します。

マングローブの胎生植物

（写真提供：Veer Gallery）

種子休眠の形成と解除は知恵に満ちています！

動物は冬眠するだけでなく（魚やエビの受精卵の休眠特性など）、植物界の種子も冬眠します。

種子の休眠は、好ましい環境条件下でも生存可能な種子の発芽を妨げる生物学的特性です。この特性は、植物が長い進化の過程で、厳しい自然環境に抵抗するために形成された自己防衛メカニズムです。種子の休眠は種子の寿命を延ばし、種子の散布距離を増加させ、それによって植物個体群の空間分布を拡大するのに役立ちます。さらに、休眠状態は、短期間に種子が大量に発芽するのを防ぎ、種内競争を減らし、環境の変化に適応する個体群の能力を向上させることができます。

同じ種の中でも、種子の休眠期間は生態型によって大きく異なります。モデル植物であるシロイヌナズナを例にとると、Col-0 生態型の種子の休眠期間は約 2 週間と短いのに対し、Cvi 生態型の種子の休眠期間はより長く、最長で半年に及ぶことがあります。この違いは、環境条件が比較的厳しいアフリカの熱帯砂漠地帯で元々生育していた Cvi 生態型の起源の気候条件に関連している可能性があります。種子の休眠は、種子が適切な時期と環境で発芽できるようにし、生存と繁殖の成功率を高める重要な生物学的戦略です。これは植物が環境に適応するための巧妙な自己防衛メカニズムです。

生態型の違いにより種子の休眠性に違いが生じる

（写真提供：楊悦氏提供）

種子の発育後期には、種子が脱水するにつれて徐々に休眠状態が形成されます。研究により、種子形成過程における環境温度が種子の休眠の程度に大きな影響を与えることが判明しました。例えば、モデル植物であるシロイヌナズナの種子は低温で形成され、休眠レベルが高くなります。逆に、気温が高いと種子の休眠レベルは低くなります。これは、種子の休眠の深まりを促進する低温誘導休眠因子 DOG1 の蓄積に関連しています。

さらに、植物ホルモンも種子の休眠の形成に重要な影響を及ぼします。これらは植物で生成される極めて微量の化合物であり、多くの生理学的プロセスを調節することができます。その中で、アブシシン酸は種子の休眠形成に重要な役割を果たし、ジベレリンは種子の発芽を促進する上で非常に重要です。両者の相対的なバランスによって、種子の休眠と発芽が決まります。ジベレリンがすべての植物種子の発芽を促進するわけではないことに注意する価値があります。例えば、寄生植物の種子は、宿主が分泌するストリゴラクトン (SL) を感知して発芽を開始するという独自のメカニズムを進化させています。ストリゴラクトンは、カロテノイド由来のセスキテルペノイド植物ホルモンの一種です。植物の分枝を調節し、植物とアーバスキュラー菌根菌の共生を促進する働きがあります。寄生植物ストリゴラクトンの種子の発芽を促進することからこの名が付けられました。

種子の休眠と発芽

（画像出典：文献をもとに筆者が作成）

種子は親植物の成長と発達の記憶を運びます。それらの特殊な構造はコードのようなもので、水やガス、その他の発芽に必要な条件との接触をある程度妨げ、休眠状態を形成します。理解を容易にするために、種子の休眠状態は主に 2 つのカテゴリに分けることができます。1 つは種子の物理的な休眠状態です。これは、種皮または果皮の構造特性によって引き起こされ、種子の吸水性や通気性に影響を与えたり、胚の成長を制限したりします。もう 1 つは種子の生理的休眠であり、これは種子の胚自体によって引き起こされ、胚の発育が不完全であること、生理的後熟が不完全であること、発芽を阻害する物質が存在することなどが含まれます。

自然界では、種子が休眠状態から出現することも知的なプロセスです。種子は、季節の変化、風、霜、雨、雪、光、温度の周期、動物の食害、微生物の作用などの自然環境の変化を最大限に活用して、物理的および生理的な休眠状態を効果的に打破し、発芽に適した時期を待ちます。

徐々に熟していくイチョウの実

（画像出典：参考資料2）

ドードーとオリーブの木の物語は、動物が植物の種子の発芽を助ける典型的な例です。かつてモーリシャス島に生息していた飛べない鳥ドードーは、西洋の入植者の到来により無差別に狩猟され、最終的に絶滅し、島の生態環境の悪化を引き起こした。オリーブの木はモーリシャス島に生息する樹木の一種です。種子がスムーズに発芽するには、種子（果実）の殻を弱めるドードーの消化器系の助けが必要です。ドードーの絶滅により、ビッグスカルオリーブの木の種子が適切に処理できなくなり、ビッグスカルオリーブの木の森が徐々に死滅していきました。

科学者がドードーの消化過程を模倣することでオオオリーブの種子の発芽を促進できることを発見したのは 1981 年になってからでした。この発見は、オオカミオリーブの木の保護に希望をもたらすとともに、生態系のあらゆるつながりが非常に重要であり、特定の動物や植物の喪失が不可逆的な連鎖反応を引き起こす可能性があることを人々に認識させます。現在、世界に残る唯一のドードーの軟組織標本は、オックスフォード大学自然史博物館に保存されています。同博物館はドードーの漫画画像をロゴとして使用し、この種を記念し、人々に生物多様性の保護に注意を払うよう呼びかけている。

ドードーの軟組織標本とオックスフォード大学自然史博物館のロゴ

（画像提供：自然史博物館）

種子は光と温度を感知して生命活動を調節する

定着した種子は休眠から解放され、人生の次の段階を始めるのを待っています。種子が発芽するには、水と適切な温度が必要です。温度は種子に季節や地域の微小環境に関する情報を提供するだけでなく、発芽プロセス中の酵素反応の進行にも影響を与えます。種子は温度の変化を感知し、それに応じて生命活動を絶えず調整します。

モデル植物であるシロイヌナズナの研究で、科学者たちは、光感受性色素phyBが植物の「目」として機能し、赤色光を感知する受容体であるだけでなく、温度を感知する受容体でもあることを発見しました。 phyB 機能が失われると、種子の発芽は高温ストレスに対してより敏感になり、種子の発芽率は急激に低下します。その理由は、高温によって活性phyBの含有量が徐々に減少し、種子の発芽阻害因子であるABAの含有量が増加するためです。

種子発芽の温度感受性

（画像出典：参考文献3）

山火事は彼らを消すことはできない、春のそよ風は新しい命をもたらす：種子の分子の知恵

森林火災の後、人間の介入なしに植生は徐々に回復していきます。植物は燃えると灰になりますが、その灰の中には新たな生命の誕生の秘密が隠されています。植物を燃やすと、カリキンと呼ばれる小さな分子が生成されます。火災後の最初の大雨により、カリジンは土壌に浸透し、土壌中の種子の発芽を強力に促進します。

火災後の森林回復

（画像出典：参考文献4）

森林灰中のカリジンは種子の発芽を促進します

（画像出典：参考文献5）

種子発芽後の成長も工夫がいっぱい

種子が発芽した後、苗木は暗い環境に適応し、土壌の機械的圧力を克服して初めて土を突き破ることができます。苗木は完全に土の中に埋まると、「燃料タンク」に残っている栄養分を頼りに「頭を埋めて」上に向かって全力疾走します。閉じて下向きに曲がった子葉の「埋もれた」状態は、後ろで成長するときに受ける土壌圧力を軽減し、壊れやすい頂端分裂組織も保護します。土を突き破る際、「頭を埋めた」状態は苗の上にある重い物を押しのけるのにも役立ち、苗をさらに保護します。最終的に、苗は子葉を開き、土壌の外で生活を始めます。 「生命の種が肥沃な土壌ではなく瓦礫の上に落ちたとしても、悲観したり嘆いたりすることは決してないだろう。抵抗することによってのみ、和らげられると信じているのだ。」こんなに小さな種の中に、こんなに素晴らしい知恵が隠されているのです！

土を突き破って芽を出す苗

（画像出典：参考文献6）

結論

数十億年にわたる進化を経て、安定した生存可能な生態系が徐々に形成されました。これらの生態系では、それぞれの生命体が、悪環境を回避または抵抗し、環境に適応し、環境との調和を維持するために、自らの生存と繁殖のための独自の生存哲学を進化させてきました。

種子植物は、植物界において高度に進化したグループであり、地球表面の緑植物の主体を構成しています。それらはすべて、種子の形成、構造、形状、繁殖方法、種子の休眠および発芽のメカニズムに関して自然の創意工夫を反映しています。

そして、これは自然界の豊かな生物資源の氷山の一角に過ぎません。私たちが発見し、学び、研究するのを待っている自然の「知恵」はまだまだたくさんあります。これからの道のりはまだ長く、先駆​​者たちは今も前進を続けています。

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