植物は細胞間の隙間を利用して光を見つける |クアンタマガジン

テラコッタの鉢が並んだ棚では、ハーブが一番近い窓に向かって茎を曲げています。黄金色の野の花が咲き乱れる野原では、太陽の光に合わせて葉が回転します。まだらの森では、蔓が木に絡みつき、暗闇から遠く離れて上に向かって伸びています。

古代以来、目のない体を最も近い最も明るい光源の方向に向ける植物の能力（今日では屈光性として知られています）は学者を魅了し、無数の科学的および哲学的議論を引き起こしてきました。そして過去 150 年にわたり、植物学者は、植物がどのように光を感知し、その情報に基づいて行動するかを支える重要な分子経路の多くを解明することに成功しました。

しかし、重大な謎は依然として残っている。動物は、レンズと光受容体の複雑な器官である目を使用して、光の方向を含む周囲の世界の詳細な画像を取得します。生物学者は、植物が照度を測定するための強力な分子ツールを備えていることを証明しました。しかし、レンズのような明白な物理的感知器官がない場合、植物はどのようにして光が来る正確な方向を把握するのでしょうか?

今、ヨーロッパの研究者チームが答えを見つけました。最近の論文では に発表され 科学、彼らは道端の雑草を報告しています— シロイヌナズナ、植物遺伝学者のお気に入り — 細胞間の空気層を利用して光を散乱させ、組織を通過する光の経路を変更します。このようにして、空気通路は光の勾配を作り出し、苗木が光がどこから来ているかを正確に判断するのに役立ちます。

空気の通り道を利用して光を散乱させることで、植物は目のような個別の器官の必要性を回避し、より巧妙なトリック、つまり体全体で実質的に「見る」能力を優先します。

根深い議論

植物がなぜ、そしてどのようにして光の方を向くのかは、 激しい議論の対象 2,000年以上にわたって。初期のギリシャの哲学者は、植物も動物と同様に感覚と運動、さらには欲望と知性さえも持つことができると主張しました。しかし、アリストテレスのような後世の思想家は、植物は生来受動的であり、環境を感知することはできず、ましてや環境とともに動くことはできないと主張した。 「植物には感覚も欲望もない」と彼は書いている。 植物について。 「これらの見解は不健全なものとして拒否しなければなりません。」何世紀にもわたって、学者たちは彼の意見に同意する傾向がありました。

1658 年になって初めて、錬金術師で自然哲学者のトーマス ブラウンは、地下室の鉢の中で育つマスタードの苗が常に開いた窓に向かって成長することを記録し、光屈性を事実として確立しました。しかしその後XNUMX世紀以上にわたり、生物学者たちは植物がどのようにして反応しているのか、太陽の光や熱に反応しているのかについて議論を続けた。

1880 年、チャールズ ダーウィンと息子のフランシスは、光屈性メカニズムを説明する実験を主導し、最終的に証明されました。で説明されているように、 植物の動きの力二人は暗い部屋で苗木（まだ光合成を行うことができず、代わりに種子から蓄えられたエネルギーに頼る植物）を育てた。特定の方向から青い光が当たると、植物はそこに向かって伸びていきました。次に、ダーウィン夫妻は部屋の周りでライトを動かし、それに対応する苗木の動きを追跡しました。

ダーウィン夫妻は実験に基づいて、苗木は新芽の先端で最も光に敏感であり、そこで感知されたものが植物の成長の方向に影響を与える何らかの物質の生成につながるのではないかと示唆した。 1920年代までに植物学者たちは、そのモデルを詳しく説明した快適なコンセンサスに落ち着いた。植物には先端に光センサーがあり、植物の日陰側での成長を促進するホルモン（後にオーキシンと特定される）を生成し、茎や葉を成長させるというものである。光に向かって曲がること。

多くの偉大な発見と同様、この発見も新たな疑問をもたらしました。そもそも植物はどのようにして正確に光を感知できるのでしょうか?彼らには明らかな感覚器官がありませんでした。研究者たちは、植物には高度な感覚能力があるに違いないと疑い始めました。

分子生物学者がこの問題を取り上げ、植物は知覚のための特殊な器官を持たないにもかかわらず、私たちが動物の目で測定できるよりもはるかに広いスペクトルの光を測定し、反応できることを示しました。 5 つの異なる光受容体ファミリーに加え、ホルモンや信号経路が連携して、植物が新しい組織を構築する方向を細胞レベルまで決定し、必要に応じて茎がどのようにねじれ、向きを変え、上向きに飛び出すかを説明します。これらの光受容体は植物体全体に広がっているが、主に茎の内部組織に集中しているという。 クリスチャン・ファンクハウザー、スイスのローザンヌ大学の植物生物学者であり、新しい研究の著者です。

しかし、単純なセンサーだけでは、植物に光の方向を決定する能力を与えるのに十分ではありません。強い照明の方向を正確に特定するには、植物は異なる光受容体間の信号を比較して、最も強い光に向かって成長できるようにする必要があります。そのためには、最も明るいものから最も暗いものまでの勾配で入射光がセンサーに当たる必要があります。

動物は目の発達によってこの問題を解決しました。プラナリア虫のような単純な生物は、単に光の有無を感知する「眼点」で生き延びます。私たち人間のようなより複雑な動物の目、水晶体のような解剖学的特徴 光を網膜に向けて照射する、フォトセンサーが満載です。次に、脳は湾曲したレンズを通って到達する光の量と、別々の細胞に記録される光の量を比較します。このシステムは、光の物理的操作と分子センサーを組み合わせたもので、明るさと影のきめの細かい勾配の検出と、視覚と呼ばれる画像へのその解像度の検出を可能にします。

しかし、植物には脳がないため、同じ結論に達するには受動的なシステムが必要です。だからこそ、物理的勾配を形成する植物の能力が重要です。植物が積極的に比較する必要なく、細胞間に固有の区別が作成されます。

このように、植物学者は難問に直面しました。一部の人が疑っていたように、屈光性は完全に分子プロセスだったのだろうか、それとも植物は光線を変化させて勾配を作り、反応をより適切に方向付けることができるのだろうか?後者が真実であれば、植物は光を集中させることができる物理的構造を持っているに違いありません。

その構造は、光を見つけようと奮闘する道端の雑草の突然変異体として最終的に特定されることになる。

ブラインド・ミュータント

ターレ クレス — 科学的には次のように知られています シロイヌナズナ — 特に魅力的な植物ではありません。高さ 25 センチメートルのこの雑草は、荒れた土地、畑の端、路肩を好みます。アフリカとユーラシアが原産で、現在は南極を除くすべての大陸で見られます。それ以来、植物生物学者は、その短いライフサイクル、小さなゲノム（2000 年に完全にマッピングされた) と実験室で有用な突然変異を生み出す傾向があるため、植物の成長と遺伝学を理解するための優れたモデル生物となっています。

ファンクハウザー氏が協力したのは、 シロイヌナズナ 1995 年以来、光が植物の成長にどのような影響を与えるかを研究しています。 2016年、彼の研究室は苗木の遺伝子をスクリーニングして、光に対して異常な反応を示す突然変異植物を発見した。彼らは、苗を横に向けるために青いライトを当てた暗い部屋で種子を育てました。そこから、実験は 150 年前にダーウィン夫妻が行ったのとほぼ同じように行われました。研究者が光の方向を変えると、植物は光の向きを変えました。

しかし、ある突然変異植物は苦戦しました。重力を感知するのに問題はなかったが、光を追跡することはできなかったようだ。代わりに、それはあたかも目が見えず、暗闇の中で歩き回っているかのように、あらゆる方向に曲がりました。

明らかにミュータントの光を感知する能力に何か問題があったようだ。ファンクハウザー研究室の博士研究員であり、新しい論文の共著者である植物生物学者のマルティナ・ルグリス氏によると、研究チームがこの植物を調べたところ、典型的な光受容体を持っていることが判明したという。しかし、研究チームが顕微鏡で茎を観察したところ、何か奇妙なことに気づきました。

野生の シロイヌナズナほとんどの植物と同様に、細胞間に空気の通り道があります。これらの構造は、密閉された細胞コンパートメントの周りに織り込まれた通気シャフトのようなもので、光合成と細胞の酸素供給の両方で重要な役割を果たすことが知られています。しかし、突然変異植物の気道は水で浸水した。研究チームは遺伝子の変異を追跡した abcg5、植物の気道が確実に防水されるように細胞壁を防水するのに役立つ可能性のあるタンパク質を生成します。

興味をそそられた研究者たちは、ある実験を試みました。彼らは、非突然変異植物の細胞間気孔を水で満たし、これが植物の成長に影響を与えるかどうかを調べた。突然変異体と同様に、これらの植物も光がどこから来ているかを判断するのが困難でした。 「これらの植物は遺伝的に正常であることがわかります」とルグリ氏は言う。 「彼らに欠けているのはこれらの空気通路だけです。」

研究者らは、植物が屈折現象、つまり光がさまざまな媒質を通過する際に方向を変える傾向に基づくメカニズムを通じて、植物自身を光の方向に向けていると推測した。ルグリ氏は、光は屈折により法線を通過すると説明した。 シロイヌナズナ 植物の細胞（ほとんどが水）を通って空気の通り道を通って移動するたびに、方向が変わります。その過程で光の一部がリダイレクトされるため、空気チャネルはさまざまなセルにわたって急な光の勾配を確立し、植物はそれを利用して光の方向を評価し、それに向かって成長することができます。

対照的に、これらの空気通路が水で満たされると、光の散乱が減少します。植物細胞は両方とも水を含むため、浸水した水路と同じように光を屈折させます。光は散乱するのではなく、細胞と浸水したチャネルをほぼまっすぐに通過して組織内の深部まで到達し、光の勾配が減少し、苗木から光の強度の差がなくなります。

光を見る

この研究は、これらの気道が若い植物が光を追跡するのを助ける上で重要な役割を果たしていることを示唆しています。 ロジャー・ハンガーターインディアナ大学ブルーミントン校の植物生物学者は、この新しい研究には関与していないが、長年の問題に対する賢明な解決策を発見したとしてこの研究を称賛した。ファンクハウザー氏、ルグリ氏、そして彼らの同僚たちは「これらの空域の重要性についてかなりうまく釘を刺した」と彼は語った。

このアイデアは以前にも浮かんだことがある、とハンガーター氏は指摘した。 1984 年、ヨーク大学の研究チームは次のことを提案しました。 植物細胞間の空気通路 必要な光の勾配を確立するのに役立つ可能性があります。しかし、チームには高価な実験を実施するための資金がなかったため、彼らの提案はテストされませんでした。

「これらの小さくて小さな、ほぼ透明な[植物の胚]がどのようにして勾配を検出できるのか、私たちにとっていつも不可解でした」とハンガーター氏は言う。 「私たちは、関係する分子を探すことに気を取られていたため、空域のことをあまり信じていませんでした。特定の研究の道に進むと、目隠しができるようになります。」

風路機構は、光が植物の中をどのように移動するかを制御するために植物が進化させてきた他の独創的な装置と結合します。たとえば、ハンガーターによる研究は、葉緑体 (光合成を行う細胞小器官) の確立に役立ちました。 葉の細胞内で活発に踊る 光を動かします。葉緑体は細胞の中心に貪欲に集まって弱い光を吸収したり、縁に逃げてより強い光を植物組織の奥深くに通過させたりすることができます。

今のところ、気道に関する新たな発見は苗木にのみ適用されます。これらの気道は成葉にも現れ、光の散乱と分布に役割を果たすことが示されているが、光屈性に役割を果たすかどうかはまだ誰もテストされていないとルグリ氏は述べた。

航空路がどのくらいの期間この役割を果たしてきたかは不明です。 400億年前の原始的な陸上植物の化石には根も葉も示されていないが、植物の中心組織には 非常に大きな細胞間空隙。おそらく、最初は組織の通気やガス交換のために発生し、その後光屈性における役割に適応したのではないかとファンクハウザー氏は述べた。あるいは、植物は部分的には光を感知できるようにするために茎の中に空気層を進化させ、その後他の機能を実行するために空気層を取り込んだのかもしれない。

「植物生物学者にとって、植物が光の方向をどのように感知するかという問題を超えて、これらの構造、つまり構造がどのように構築され、その背後にあるメカニズムをさらに理解することは興味深いことです」とファンクハウザー氏は述べた。

また、人々の植物に対する認識の中に今も残っているアリストテレスの幽霊を追い払うのにも役立つかもしれない、と彼は言う。 「多くの人は、植物は非常に受動的な生物であると感じています。彼らは何も予測することができません。彼らは自分たちに起こることをただやっているだけなのです。」

しかし、その考えは、目がどのように見えるべきかという私たちの期待に基づいています。植物は、細胞の隙間に織り込まれた全身で見る方法を進化させてきたことが判明した。光を追うのに、目ほど不器用なものは必要ありません。