中国の科学者が新しい細胞タイプを発見、植物は動くことができる！

私たちが住む世界は、花や草木などさまざまな植物の存在によって色彩豊かになっています。人間と同じように、花や植物、木も生き物です。そして生命は動きの中にある。

普段静かに成長している植物も、独自の動き方をしていることを想像できますか？最近、 National Science Review誌に掲載された研究によると、植物も自ら動くことができ、その動きは植物自身の内部細胞の構成に関係していることが明らかになった。

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収縮細胞: 植物の運動行動に関する新たな知見

細胞は生物の基本的な構造的・機能的単位であり、生命活動を維持するための最も基本的な部分です。植物細胞は一般的に細胞壁、細胞膜、細胞小器官、核などで構成されています。最近、中国科学院植物研究所の王銀正の研究グループは、水に敏感な粗面小胞体で満たされた収縮細胞という新しいタイプの細胞を発見しました。これは従来の細胞とは異なり、植物が自ら移動する能力を直接決定します。

「斑入り草」としても知られる Chirita pumila は、イワタバコ科に属する植物です。葉は縞模様で独特な外観をしています。成長サイクルが短く、植物も低く、自家受粉が可能です。斑入りの葉苔は、植物学者によって広く研究されています。

斑入りリップコラムモス、画像提供元: Flickr、写真: Nicholas Turland

植物は一般的に自律的に動くことはできませんが、斑入りの唇柱苔を研究する過程で、植物学者は斑入りの唇柱苔の柱頭が水に触れると自発的に動くという特徴があることを発見しました。

その理由を探るため、科学者たちは斑入りの唇柱頭苔の柱頭の解剖学的分析を行った。顕微鏡で見ると、斑入り唇柱頭の柱頭は乳頭細胞、維管束、薄壁細胞、背側表皮で構成されていることがわかった。維管束には最大 10 層の細胞があり、葉身の厚さの半分を占めます。

柱頭が水と接触して開いた状態と閉じた状態にあるとき、これらの細胞の形態には明らかな違いがあります。これらの細胞の性質は、植物学者が収縮細胞と定義する実質細胞の性質とは異なることがわかります。

斑入り唇柱の柱頭の開いた状態と閉じた状態

クライオ電子顕微鏡を用いた収縮細胞の特性評価により、これらの細胞は内部に網状構造を持ち、通常の細胞とは異なり、核は細胞の中心ではなく端にあることが示されました。

(A) 柱頭の解剖図、(B) 柱頭の正面図。柱頭の上部は閉じており、下部は広がっており、60 度の角度で外側に開いています。(C) 閉じた柱頭の正面図、(D) 柱頭の背面図、(E) 柱頭の側面図、(F) 開いた柱頭と (G) 閉じた柱頭の縦断面解剖図、(H) 開いた柱頭と (I) 閉じた柱頭の部分断面の拡大図。画像出典：参考文献[1]

柱頭が水を吸収すると収縮細胞の体積が増加し、その形態は初期状態に比べて8倍以上長くなります。これは収縮細胞内に水に敏感な物質が存在することを示しています。水と接触した後のこの膨張行動は細胞容積の拡大を引き起こし、柱頭の伸長と収縮の動きと密接に関係しています。

同時に、電子顕微鏡と蛍光実験を用いた細胞のさらなる分析により、細胞の網状構造の本質はリボソームが埋め込まれている粗面小胞体であることが明らかになりました。さらに、実験により、斑入り唇弁の柱頭が開いたり閉じたりすると、収縮細胞もそれに合わせて動くことが観察されており、この2つは密接な関係にあることが示されています。

収縮細胞の構造、(A~H) (A~D) 収縮細胞と (E~H) 薄壁細胞のクライオおよび透過型電子顕微鏡画像、(I、J) 薄壁細胞と (K、L) 収縮細胞の蛍光実験による特徴付け、(M) 細胞の蛍光シグナル、(N~Q) 柱頭の開閉運動。画像出典：参考文献[1]

実は動ける植物はたくさんあるんです！

上で述べた斑入り柱状苔以外にも、移動できる植物は数多くあります。実は、私たちの生活によくある身近な植物も、実は「アスリート」なのです。

ひまわり

「太陽に向かって成長する」というのが、ヒマワリに対する私たちの一般的な理解です。なぜなら、日光への曝露はヒマワリ内部のオーキシンの分布に直接影響し、それが細胞の成長に影響を与えるからです。したがって、太陽の放射線をよりよく受け取るために、ヒマワリは太陽とともに移動します。

ひまわり。ギャラリー内の画像は著作権で保護されています。転載して使用すると著作権侵害の恐れがあります。

ミモザ

ミモザの葉に触れると、外部からの刺激により葉柄が垂れ下がり、その後葉に融合します。しばらくすると、葉は自然に開き、元の状態に戻ります。

この動きの理由は、葉の上部と下部の細胞構造に関係しています。上部の細胞壁は厚く、細胞はより密集していますが、下部の細胞壁は薄く、細胞はよりまばらに分布しています。そのため、外部からの刺激を受けると、下層の細胞の透過性が急激に高まり、葉は垂れ下がって閉じてしまいます。

ミモザ。ギャラリー内の画像は著作権で保護されています。転載して使用すると著作権侵害の恐れがあります。

アルビジア

ヒマワリやミモザのほか、6月から7月にかけて公園のいたるところに咲くネムノキも見どころです。日中はネムノキの花が草むらに乱れ咲きますが、夜になると静かに閉じます。これは、ネムノキが夜に対して敏感であることに関係しています。外部の光の変化を感知すると、それに応じて動きます。