植物の中には、根から北西の風を吸い取ろうとするものもいます。 「空中の水を飲む」気根の秘密とは？

植物の中には、根からでも北西の風を吸い取ろうとするものもあるのでしょうか？

始める前に、自然の素晴らしい美しさを楽しみましょう。

金平蔓（写真提供：Zhang Lijun）

エアプランツ (写真提供: Zhang Lijun)

ガジュマルの木（写真提供：veer photo gallery）

錦の翼の「夢のカーテン」の美しいシーンに浸るとき、風変わりなエアプランツに魅了されるとき、ガジュマルの森を形成する強力な能力に驚嘆するとき、それらの植物には共通の特徴があることに気づいたでしょうか。それは、長い根が空気にさらされていることです。

これらの美しく力強い自然の驚異はどのようにして生まれたのでしょうか?それらの機能は何ですか?今日は、これらの自然現象の背後にいる大物、気根についてお話します。

パート1

それらはすべて根ですが、なぜ一部は地上にあり、一部は地下にあるのでしょうか?

気根は特別な機能を果たす器官であり、植物が長い生存過程で湿気と高温の環境に適応するために形成されます。植物の茎や枝から地上に出て空気にさらされる変形した根です。気根は、ラン科、クワ科、サトイモ科、ユリ科、アマリリス科の一部の植物によく見られます。冒頭で述べた金平蔓の美しい赤い根は気根の一種です。

ご存知のとおり、植物の根は一般的に地面の下で成長し、「地中根」と呼ばれます。栄養素を固定、吸収、輸送、貯蔵する役割を果たします。しかし、環境上の理由により、一部の植物の根は特殊な機能を発達させ、その形態構造が変化することがあります。この現象は根の変態と呼ばれます。 「気根」とは、空中に生える異常な根の一種です。

植物の地上根と空中根は、特定の条件下では互いに変化することがあります。例えば、ガジュマルの気根が地中に浸透すると、地上の根と全く同じになり、地中から水を吸収して、ガジュマルの地上部分を支えることができるようになります。そして、その地上根は長期間空気にさらされ、その特性は気根と全く同じになります。

植物の地上根と気根は内部構造が似ていますが、デンドロビウムの気根を電子顕微鏡でスキャンすると、気根の先端には根毛がなく、代わりに数回の周縁分裂を経て根鞘を形成していることがわかります。根の外皮は、死んだ細胞の複数の層で構成された海綿状の組織です。細胞は多角形で密集して配置されています。細胞壁は部分的にコルク化されており、小さな孔のあるリボン状または網状のパターンに厚くなっており、水を吸収して細胞の内部に運ぶのに適しています。

デンドロビウムの気根のラン菌根を細胞電子顕微鏡でスキャンした。

（画像出典：参考資料2）

気根の外観は誕生から老化まで常に変化します。小葉ガジュマルを例にとると、雨や湿気の多い天候では気根が成長します。先端から0～4cmの白い部分または淡黄色の部分が新しい部分で、一般に軟根と呼ばれます。日光への曝露、乾燥した空気、自己老化により、気根はゆっくりと成熟し、外観が黄色に変わります。これを成熟状態と呼びます。その後も老化が進み、気根の表面が茶色の樹皮のような木質層に変化した状態を老化状態といいます。後者の 2 つの形式は古い語根と呼ばれます。古い根の部分は外皮が厚く、見た目がざらざらしており、表面に微細な孔があります。たとえば、下の写真の錦織りの蔓は、柔らかい根が赤く、古い根が緑色です。

金平ブドウの古い根と新しい根

（写真提供：張立軍撮影）

パート2

「空中で水を飲む」気根の秘密

科学者たちは実験を通じて、気根は状態によって水を吸収する方法が異なるという結論に達しました。

気根の古い根が水を吸収する方法は 2 つあります。1 つは吸着です。これは湿った空気中の水蒸気を液体の水に変換して根に運びます。これを根吸着と呼びます。もうひとつは、空気中の塵埃粒子に凝縮した水分を微細孔から直接吸収したり、雨の日に根の表面に降った水分を蓄えて吸収し、根まで運んだりすることです。これを根吸収といいます。

気根の柔らかい根も、2つの方法で水を吸収します。気根が飽和した空気の流れの中で1日成長すると、表面に密集した白い毛が生えます。毛は凝縮核として働き、空気中の水蒸気を毛の表面で凝縮させて根に運びます。これは、地上の根が主に根毛を通して空気中の水分を吸収するのと同じ原理です。

もう一つの状況は、気根がほぼ飽和状態の空気中で成長し、表面に白い毛が生えていない場合、気根の表面での水分の凝縮は主に浸透相変化によって達成される。濡れ相転移とは通常、固体表面上の液体が部分的に濡れた状態から完全に濡れた状態へと変化することを指します。浸透相転移が起こると、気根の周囲の空気は飽和状態に近づき、気根の表面に空気と水の界面が形成され、気根の表面温度は周囲温度よりわずかに低くなります。そのため、空気中の水蒸気は気根の表面で凝縮し、その後植物体内に輸送されます。これを根覆いの凝縮機構と呼びます。

パート3

気根の成長は、次の3つの要因によって影響を受ける。

1. 環境への影響

気根の発生は生育環境と密接に関係しています。周囲の温度が高く、植物の蒸散量が多い場合、地上の根だけに頼っていては、植物自身の利用を維持するのに十分ではありません。植物は地上部分の茎や葉、あるいは気根を使って水を吸収することができます。例えば、ガジュマルは南部の多雨、高温、高湿度の環境に適応するために、呼吸を助けるために幹にロープ状の気根を多数生やしています。この種の植物は暖かく湿った環境を好むため、主に熱帯および亜熱帯地域に分布しており、ほとんどの種が熱帯雨林に生息しています。我が国では、主に揚子江以南の地域に分布しています。

ガジュマルの気根

（写真提供：張立軍撮影）

また、地下の根に栄養が不足していたり​​、呼吸が理想的でなかったりする場合、植物は空中の根を使って空気中の水分を吸収する必要もあります。たとえば、ドラゴンフルーツの挿し木植えの期間中、気根が枝から現れ、一時的に空気を吸い、水を吸収する役割を果たします。

ドラゴンフルーツの気根

(画像出典: 中国植物画像ライブラリ)

2. ホルモンの影響

植物ホルモンは気根の形成において複雑かつ重要な役割を果たします。それらは細胞分裂と成長に影響を及ぼすことで気根の発達を直接的に制御することができ、また他の分子と相互作用することで気根の発達を間接的に制御することもできます。研究により、外因性または内因性のオーキシンの濃度を高めると、植物の気根がさらに成長することがわかっています。例えば、エセホンは気根の形成速度を促進し、エセホンの濃度が増加すると、気根の層数、根の数、総重量もそれに応じて増加しますが、根は徐々に細くなります。

3. 遺伝的影響

気根の形成は外部要因に加えて遺伝子によっても制御されます。科学者たちはトウモロコシの気根の発達過程を研究することで、オーキシン関連遺伝子が重要な割合を占めていることを発見した。たとえば、最初に発見された突然変異体 rt1 は、気根の発達に影響を与える重要な遺伝子です。この突然変異体を持つ植物は、地下根の数に基本的に変化がなく、空中根がすべて失われています。さらに、組織学的研究により、RTCS 遺伝子の変異は気根の発達にも影響を及ぼし、変異体では主根と側根のみが保持されることが判明しました。 RTCS の相同遺伝子 RTCL (RTCS-LIKE) もオーキシン応答遺伝子です。

パート4

気根にはさまざまな種類があり、それぞれ機能も異なります。どれを見ましたか？

気根は形状や機能の違いにより、以下のカテゴリーに分類できます。

1. 根を支える

トウモロコシやモロコシなど、根は浅いが草丈の高い草本植物の中には、節ができて穂が出る前に、地上近くの節の周りに数層の空中不定根を張り、地熱帯性に成長するものもあります。土壌に入った後、土壌中に側根が生成され、植物を支えるという特別な機能を持ちます。これらの根は支持根と呼ばれます。支持根の発達が不十分な場合、強風に遭遇すると植物は倒れやすくなります。また、支持根には吸収や輸送などの機能もあります。

トウモロコシの根を支える

(画像出典: Botany)

2. 根登り

ツル植物の中には、ツル性植物、トラケロスペルマム、イチジク、キヅタなどがあり、茎の片側から先端が平らな多くの登り根を生成し、物体の表面を登りやすくなります。

イチジクの気根

（写真提供：張立軍撮影）

3. 呼吸する根

マングローブやウォータードラゴンなど、沿岸地域や湿地帯に生育する植物の中には、上向きに成長して地面から伸びる呼吸する根を生成するものがあります。表面には呼吸孔があり、内部にはよく発達した通気組織があり、通気性と空気貯蔵に役立ちます。例えば、湿度の高い土壌でヒノキが育つと、呼吸を助けるために気根が地面から出てきます。

池檜の気根

（写真提供：張立軍撮影）

4. 支柱根

支根は、主根が十分に発達せず、側根が上向きに成長し、幹の基部との接合部によく発達した木質の板状の尾根を形成する特定の条件下で発生します。支根は熱帯樹種によく見られ、マメ科、ヌマガキ科、アカネ科、ニシキギ科などの植物種はすべて一般的な支根植物です。いくつかの支柱根は数メートルに達することもあり、巨大な樹冠の支持力を高めます。

エラエオカルプス・スティラシフォリウス

（写真提供：中国科学院西双版納植物園公式サイト）

5. 着生根

着生植物（地上で生育せず、木の枝や幹で生育する植物の一種）の多くは気根も生成します。その根には太い根茎があり、熱帯雨林の着生ランのように空気中の水分を吸収して蓄えるのに適しています。

蘭の気根

（写真提供：張立軍撮影）

パート5

気根は「自分用」だけでなく「他人用」にも使える

トウモロコシの気根による生物学的窒素固定

2018年、科学者たちは、メキシコのシエラミヘ地方で栽培されている在来種のトウモロコシには、大量の粘液を分泌する多数の気根があることを発見した。粘液は酸素が少なく糖分が豊富で、窒素固定細菌が多く含まれており、強い窒素固定活性を示します。

さまざまな方法で計算すると、大気中の窒素固定過程におけるこの品種の窒素への寄与率は 29% ～ 82% に達します。このトウモロコシの生物学的窒素固定機構と、植物内でこのプロセスを制御する遺伝的機構は、化学肥料の使用を減らし、グリーン農業を開発するための重要な理論的指針を提供するために、さらに研究する価値があります。

イチジクの根の水性抽出物は天然の培養培地として使用できる。

Ficus microcarpa の気根には内因性ホルモンとホルモン前駆物質が含まれており、その水抽出物は天然の培養培地成分として、ランの原球体の増殖率を誘導または増加させることができます。研究によると、フィカス・ミクロカルパの気根の水抽出物を一時的にホルモンの代わりに使用する方法は、シンビジウム蘭の発根に大きく貢献し、シンビジウム蘭の組織培養に新たな道を開くとともに、研究者や企業生産者にも利便性をもたらすことが示されています。

つまり、植物の気根は植物自体の生存の可能性を提供するだけでなく、植物の発生生物学における重要な研究テーマでもあります。その形成の生理学的、生化学的メカニズムとその機能に関する研究は徐々に人々の注目を集めており、幅広い研究と応用の見通しを持っています。

制作：中国科学普及協会

プロデューサー: 張立軍

著者：中国科学院武漢植物園

制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター

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この記事は著者の見解のみを表しており、中国科学博覧会の立場を代表するものではありません。

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