植物科学の新展開- 分子から群集まで広視野研究をめざす シンポジウム「植物科学の新展開」編集委員会(編)Molecule

植物科学の新展開

ごあいさつ

北海道大学での先端シンポジウムとして「植物科学の新展開：分子から群集まで広視野研究をめざす」を開催できますことを心から喜んでおります。主催は北海道大学 低温科学研究所 植物凍害科学部門で吉田静夫先生のご指導のもと､学生として､あるいはスタッフとして学ばせていただいた仲間です。
21世紀を迎えて科学と社会の両面で研究者に求められることが多くなりました。新しい視点で研究を推進し､意味のある研究に育て上げ､社会に対しても成果を説明することが､研究者の責任と言われるようになっています。社会的な財を利用し消費して研究をしているので､これらの要請を受け入れざるを得ません。
しかし今日は､もう少し頭を柔らかくして､学問・研究のはじめの部分､つまり生物を理解する新しい研究のための新しい発想を得るための機会としたいと願っています。分子生物
学はテクノロジーと共にいっそう磨きをかけ､数多くの生物のゲノム解析が進み､網羅的解析としてプロテオーム､メタボロームも推進され､そしてナノテクノロジーの成果により一分子観察の成果も生み出されています。これらの研究には多額の予算と労力が必要で､担うべきグループが推進しています。私たちすべての研究者がそれに参加する必要はなく､それらの成果を自らの研究土俵に活かすことで共有できます。
本日の「分子から群集まで広視野研究をめざす」は､具体的な研究は特定の生物､限られた手法でとりくんでいても､研究者としての興味と視野は少しでも高く広くありたいという意味での企画です。もちろん､生態学的視点をもった分子生物学が求められていることも考慮しています。シンポジウムでご紹介いただく研究は､きっと私たちの脳をインスパイア
ーしてくれるはずで､それぞれの研究土俵を充実することにつながるものとおもいます。ご出席いただいたそれぞれの方にとって､ヒントやひらめきが得られますことを祈りつつ､皆さんとの再会を楽しみにしています。

前島正義
名古屋大学生命農学研究科-1-

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -

目次
はじめに

(前島正義・大会委員長)

目次

1
2

この CD-R について

第 I 部 植物科学と低温科学

341

細胞膜が変われば冬の寒さなんて平気?!

(上村松生・岩手大農学 寒冷バイオ研究センター)

52

どのような仕組みで冷温誘導性の細胞質の酸性化は起きるか: 冷温障害機構の解明に

13

向けて (河村幸男・岩手大農学 寒冷バイオ研究センター)
3

樹木の低温馴化とは何か?

4

寒さ・雪氷・山岳は植物に何を与えるか: マクロスケールから(宇梶徳史・北大低温研 寒冷生物)

20
24(佐藤利幸･信州大理学 生物進化 山岳科学)

5

寒さで甘くなるジャガイモたちは…

6

酸性雨が雪になると植物はどうなるのか(松浦(遠藤)千絵･北海道農業研究センター畑作研究部)

33
39(荒川圭太, 稲田秀俊･北大農学研 木材木材生物学分野)[近況報告・随想]7

現場の研究者が楽しく有意義な研究を展開できるよう、ご指導をお願いします46(田村 晃・秋田県農試 野菜花卉部)8

吉田先生の背中9個体としての単純さ・群集としての複雑さ(大平 万里・秋田経済法科大学付属高等学校)

50
52(陶山哲志･産業技術総合研究所 生物機能工学研究部門)

10

第 II 部 広領域研究を目指して

55

分子から個体まで 植物の水輸送を階層的に考える

56(村井(羽田野)麻理・東北農業研究センター)

11

スサビノリにおける細胞膜一次ポンプと膜輸送機構 -到達点と今後の展望-62(長谷 昭･北海道教育大函館 生物)12

粘菌ってなにもの?

13

アクアポリンの分子生理生態学: それからの 10 年間

14高山多年生草本の休眠15種子が目覚めるとき: 発芽を促すジベレリンの作用(川田健文･東邦大理学 生物 分子発生)68(前島正義・名大 生命農学研究科)

74(吉江文男・専修大経済)7984(鷲尾健司･北大院地球環境 環境分子)

16

石の下にも 20 年 -埋土種子研究の進展状況-(露崎史朗・北大院地球環境 地域生態系)

93

あとがき

(吉田静夫・北大名誉教授)

101

編集後記

(編集委員)

102-2-

植物科学の新展開

この CD-R について本シンポジウム要旨は、全てこの CD-R に PDF形式で収録されています。CD-R は、4-48 倍速対応 650 Mb のものを使用しています。シンポジウ
ム原稿ファイルは全て Dell Precision にて Windows2000 上の Acrobat ver.5.05 で動作を確認しています。ファイルを開くには、Adobe Acrobat、Acrobat
Reader (フリーソフト)、Adobe Reader (フリーソフト)のいずれかが必要となります。2004 年 10 月現在、Adobe Reader がhttp://www.adobe.co.jp/products/acrobat/readermain.h
tmlのホームページからダウンロード可能です。使用
されるコンピュータに、上記ソフトウェアのいず
れかをインストールしてご使用ください。
動作等に不都合等がありましたら、事務局の方へ連絡ください。全てのことを解決することは困難だと思われますが、できだけ対処したいと思います。
おまけとして、”/photo”のディレクトリに思い出の写真が収録されています。お楽しみください。
事務局
露崎史朗
北海道大学大学院地球環境科学研究科
Tel: 011-706-2283
FAX: 011-706-4954
e-mail: tsuyu@ees.hokudai.ac.jp-3-

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -第I部
植物科学と低温科学-4-植物科学の新展開

細胞膜が変われば冬の寒さなんか平気?!
上村 松生（岩手大学農学部附属寒冷バイオシステム研究センター）

いるのかなど見当もつかない。しかし、凍結傷害

はじめに北海道大学低温科学研究所は、低温環境下におの初発部位が細胞膜（原形質膜）の機能障害であける植物の適応現象研究における世界的ハブとることを考えれば、究極的には、細胞膜が凍結脱して知られている。1979 年に大学院修士課程（理水条件下で安定性を維持し、その機能を損なわな学研究科植物学専攻）学生としてその門を叩いていようにするために貢献しているに違いないとから、すでに 25 年の年月が過ぎた。それ以来、私は考えている。

札幌、イサカ（アメリカ・ニューヨーク州）、神植物細胞が凍結脱水状態において機能維持を戸、再びイサカ、そして盛岡と場所を変えながら、する分子機構を理解するためには、第一に、細胞植物の低温適応機構について研究を続けている。

膜に生ずる傷害の分子機構を理解し、ついで、低

大雑把に言えば、この 25 年の間に植物寒冷適応

温馴化過程で起こる多様な変化が傷害発生を回機構の研究は、急速に進んでいるが、そのような避するためにどのように関与しているのかを知状況の中で、「自分は、いったい、何に貢献できることが必要であると考えて研究を進めた。

たのだろうか」と考えることも多い。本稿では、植物の凍結傷害機構

今までの研究結果の一部を紹介し、今後の方向性

我々は、植物組織（葉や塊茎など）から調製さを探ってみたい。

れた単離プロトプラスト（酵素を用いて細胞壁を分解し、細胞膜が露出した単離細胞）を材料に、植物の低温耐性獲得機構
温帯性植物の多くは，秋から冬にかけての低温

凍結融解過程で発生する傷害機構の解析を進め（0℃以上の凍結しない温度）に反応して、凍結てきた。単離プロトプラストを用いた実験系は、に対する耐性を増大させる。植物によっては、短細胞壁を持つ細胞系や異なった細胞の集団であ日条件が必要な場合も存在する。この現象は、低る組織・器官・個体系とは異なる傷害機構を示す

温馴化（Cold Acclimation）と呼ばれ、特定の遺伝可能性も指摘されているが、凍結融解過程におけ子群発現を通した様々な生理的反応の結果である細胞膜の挙動を直接観察できるという大きなることが知られている（Weiser 1970, Guy 1990,

魅力を持つ実験系である。さらに、凍結傷害機構

Thomashow 1999）。それらの生理的反応には、植が、植物の凍結耐性の程度、低温馴化過程、さら物ホルモンバランスの変動、細胞壁の硬化、生体には、凍結温度や凍結融解速度などの条件によっ

膜組成や機能の変動、細胞内における適合溶質て大きく変動することを考えると、プロトプラス（糖、アミノ酸、グリシンベタインなどの中性低ト観察によって複雑な植物の低温馴化機構を具

分子可溶性物質）の蓄積、不凍タンパク質、氷核

体的に理解することは有効であろう。

タンパク質など凍結現象に影響を与える特定の植物細胞が凍結する場合、細胞内が凍結する場

タンパク質や低分子化合物の合成、などがある

合（細胞内凍結）と細胞外が凍結し細胞内は凍結（Steponkus et al. 1993）。これらの生理的反応は多しない場合（細胞外凍結）の 2 つが考えられる。

様であり、一見、なぜ凍結耐性の増大に係わって通常、野外で起こる凍結は、冷却速度が比較的遅-5-- 分子から群集まで広視野研究をめざす -く、組織内では細胞と細胞の間にある細胞間隙に凝縮や、タンパク質が排除された領域ではヘキサ氷晶が最初に形成される（注：植物の組織、器官

ゴナル II 相という脂質相が観察される（図 1）などによっては、器官外凍結、過冷却などを起こ（Gordon-Kamm & Steponkus 1984）。

す植物も知られている）。これは、細胞内に比べ一方，低温馴化を行い凍結耐性が増大すると、細胞間隙や細胞壁に存在する液体の浸透濃度がEIL はどのような凍結温度においても観察されな低いこと、細胞外には細胞内に比べ氷晶核となるい。このような状態では、凍結温度にかかわらず物質が多く存在していることなどの理由が考え

細胞は LOR により傷害を受けるが、低温馴化前られている（Uemura & Steponkus 1989）。一旦、の細胞で観察されたヘキサゴナル II 相は全く観氷晶が形成されると、同じ温度における氷の表面察されない。それに変わって、2 つ以上の膜系がにおける水ポテンシャルが液体状態の水ポテン
シャルよりも低いため、氷晶表面に水分子が引きつけられ、氷晶は成長する（酒井 1982）。その結
果、細胞内の水は細胞外に引き出されることになり、細胞は脱水収縮する。凍結過程における脱水収縮により、細胞には温度ストレス、脱水ストレス、機械ストレス、塩濃縮ストレス、酸化的ストレスなど、多様な、そして、大きなストレスがかかることになる（Levitt 1980）。その中でも、脱水ストレスは細胞の生死を決定する最も重要なス
トレスであると考えられている（Steponkus 1984）。
単離プロトプラストを用いた実験系により、細胞レベルでは、細胞外凍結が誘導する凍結脱水に起因する傷害機構が複数存在することが明らかに な っ た （ Steponkus et al. 1993, Uemura &Steponkus 1989）。低温馴化前の耐凍性の低い細胞
では、凍結温度（あるいは、脱水程度）の違いに
より、2 つの異なった凍結傷害機構が観察される。
一つは、凍結温度が比較的高い場合（50%程度の細胞が傷害を受ける程度）に観察され、凍結過程

図 1 未馴化（A）及び馴化後（B）のシロイヌナズナの葉から調整されたプロトプラストの細胞膜に見られる凍結脱水に誘導される微細構造。馴化前はヘキサゴナル II 相、
馴化後には Fracture-jump Lesion が見られる。図中の略
号は pm（細胞膜）、HII（ヘキサゴナル II 相）、v（液胞膜）、
i（氷）、そして、fjl（Fracture-jump Lesion）。図中のバーは 500 nm (A)、あるいは、1 µm（B）。（Uemura et al. 1995）で収縮するだけでは何ら問題はないが、融解に伴う膨張過程で破裂する（Expansion-Induced Lysis;

融合した結果だと思われる微細構造（フラクチャ

EIL）ものである。さらに低い温度まで凍結する

ー・ジャンプ構造）が，細胞膜近傍において高頻と、細胞に非常に大きな脱水ストレスがかかり、度で観察されるようになる（図 1）（Fujikawa &細胞の各膜系表面に結合していた水分子が失わ

Steponkus 1990, Webb et al. 1994, Uemura et al.

れる。その結果、細胞膜と細胞小器官の膜系が相1995）。これらの結果は、低温馴化前後で起こる互作用し、各膜系の独立性や細胞膜半透過性の喪細胞内外での様々な変動が、細胞膜に関連した凍失、そして、細胞死がおこる（Loss of Osmotic

結傷害発生機構の変化を引き起こし、その結果とResponsiveness; LOR）。この時、生体膜が通常形して、凍結耐性の増大が起こるということを示唆成している脂質二重層が崩れ、膜内タンパク質のしている。では，低温馴化過程で起こるどのよう-6-

植物科学の新展開な変化が、凍結傷害発生機構の変動に関わってい引きつける能力が最も高い。従って、細胞膜におるのだろうか？

ける PC 含量の増加は、凍結脱水過程における膜
表面での水分子の維持に大きく貢献し、他の細胞内膜系と細胞膜の脱水誘導性相互作用を抑えて低温馴化における細胞膜脂質の役割
凍結下における細胞膜の挙動を規定する要因いるものと考えられる。事実、様々な脂質組成をの一つは、細胞膜組成である。細胞膜は，脂質と持つリポソームを用いた乾燥過程における実験

タンパク質の混合物であるが、その中で低温馴化

系では、PC に富んだリポソームは PC 含量の少な（凍結凍性増大）と脂質組成の関係については多いものに比べて膜融合の頻度が少ないことも報

くの研究報告がある。1970 年代後半から 80 年代

告されている（Steponkus et al. 1993）。

にかけて、吉田静夫先生はオーチャードグラスや

一方、PE の増加はそれほど単純に説明ができ

クワを材料に純度の高い細胞膜を単離する方法

ない。PE はヘキサゴナル II 相を形成しやすい脂の確立や、低温馴化過程や脱馴化過程における細質として知られ、事実、乾燥状態では常温でも容胞 膜 脂 質 組 成 解 析 （ Yoshida & Uemura 1984,

易にヘキサゴナル II 相を形成する分子種も多く

Uemura & Yoshida 1984）を精力的に行われた。こ知られている。PE 含量の増加が凍結耐性の増大

れらの論文は現在でも低温馴化と細胞膜脂質のにどのように関わっているかはまだ明らかでは関連における論文にかなりの頻度で引用されてないが、PE 含量の増加が単独で意味を持つものいる。

ではなく、細胞膜脂質全体における構成比や脂質

低温馴化する多くの植物（ライムギ、シロイヌとタンパク質との相互作用などの点において、何

ナズナ、キクイモ、クワ、オーチャードグラスならかの意味を持つと予想される。この点について、

ど）に共通して、低温馴化後には単位タンパク質

最近、コムギ実生を用いて、低温馴化過程で PE

量当たりの細胞膜リン脂質含量が 20〜70%も増合成系酵素の一種をコードする遺伝子の発現が加する（表 1）
。その増加の主な原因は、主要リン増加することが示された（Imai 2004）。この結果脂質であるホスファチジルコリン（PC）とホスフ

も、PE が細胞膜の物理的性質の決定だけではなァチジルエタノールアミン（PE）の増加、特に、く、機能制御に関与している可能性を示唆してい不飽和脂肪酸を持つ分子種の増加によるものでるものと考えられる。

ある（Yoshida & Uemura 1984, Uemura & Yoshida

以上の結果は、細胞膜リン脂質の増加が凍結過1984, Uemura & Steponkus 1994）。PC は水和度の程における膜安定性の維持に寄与していること高い極性基を持ち、膜構成脂質の中では水分子をを示唆しているが、それを直接証明したのは、特表 1 低温馴化過程で見られる細胞膜リン脂質の増加µmol/mg protein
馴化前馴化後mol% of total lipids
馴化前馴化後Winter rye

1.04

1.26

Oat
Orchard grass
Jerusalem artichoke
Arabidopsis

1.11
1.15

1.38
1.50

0.94
1.02

1.12
1.72

38.7
36.6
28.9
50.2
45.9
46.8
51.5
57.1

植物

Mulberry

-7-

43.4
43.3
39.5
53.1
46.9
57.1
55.2
69.0

出典
Uemura & Yoshida 1984
Uemura & Steponkus 1994
Uemura & Steponkus 1994
Yoshida & Uemura 1984
Ishikawa & Yoshida 1985
Uemura et al. 1995
Kawamura & Uemura (unpublished)
Yoshida 1984

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -定の脂質から構成されたリポソームを融合した

べた場合、主要ステロール脂質として、ライムギ

プロトプラストを用い、細胞膜脂質組成を人工的の細胞膜は FS を含んでいるのに対し、カラスムに変化させた場合の凍結傷害機構を解析した研ギの細胞膜には ASG が多い（Uemura & Steponkus

究 で あ る （ Steponkus et al. 1988, Uemura &1994）。リン脂質共存下で作成されたリポソーム

Steponkus 1989）。低温馴化前の耐凍性の低い植物の脱水過程における挙動を調べてみると、これらから単離されたプロトプラストに、不飽和脂肪酸

二つのステロール脂質の影響は大きく異なってを含む PC からなるリポソームを融合して、細胞いる（Webb et al. 1995）。つまり、ASG を含むリ

膜脂質組成を低温馴化後に近い状態になるよう

ポソームは FS を含むものに比べ、より小さな脱に人工的に操作すると、耐凍性は増加した。さら水度でヘキサゴナル II 相転移を引き起こす。すなに、この凍結耐性増大は低温馴化前に見られた

わち、ASG は FS に比べて、脂質安定性を低下さ

EIL の発生が完全に回避されること、細胞膜で見せる働きが大きい。従って、ライムギとカラスムられたヘキサゴナル II 相も発生頻度が低下する

ギの耐凍性の違い、言い換えれば、細胞膜の脱水こと、が原因であること明らかになった

下での安定性の違いの一部は、ステロール脂質組（Sugawara & Steponkus 1990）。これらの結果は、

成に依存しているのかもしれない。

低温馴化過程で起こる細胞膜における PC 含量の低温馴化における細胞膜タンパク質の役割

増加は、凍結傷害発生機構の変動と直接相関してそれでは、細胞膜に含まれる重要なもう一つのいることを示している。
さらに、低温馴化過程において、細胞膜の糖脂成分であるタンパク質が凍結耐性の増大に対し質（グルコセレブロシド、CER）含量が複数の植て与える影響はあるのだろうか？この問題につ物で共通して減少する（Steponkus et al. 1993）。

いても、吉田静夫先生は 1980 年代初めから研究

CER は水和度が低い脂質で、さらに融点も高い。

を進められていた。しかし、つい最近まで、低温

そのため、温度低下や脱水過程で、水和度が高く

馴化過程における細胞膜タンパク質（単離細胞膜

融点が低いリン脂質と相分離の状態になり、細胞画分に存在するタンパク質という意味で用いる）

膜の構造機能に大きな影響を与えるものと考えの変動は、二次元電気泳動による解析によって示られている（Cahoon & Lynch 1991）。さらに、CERされていたにすぎず（Yoshida & Uemura 1984,

が多く含まれるリポソームでは、ヘキサゴナル II

Uemura & Yoshida 1984）、それらの変動するタン相や膜融合が起こりやすいことが試験管内の実

パク質の実体や機能を詳細に研究した報告はほ験により示されている（Steponkus et al. 1993）。従とんど存在していなかった。一方、近年急速に発って、低温馴化過程で細胞膜に含まれる CER が展した分子生物学・プロテオミックス方法を用い減少することは、凍結傷害発生を抑え、凍結耐性て報告されたものを検索しても、低温に応答して増大に貢献しているものと考えられる。

変動する細胞膜タンパク質を同定したものは非細胞膜には、ステロール脂質も多い。ステロー

常に限られていた（Goodwin et al. 1996, Brenton etル脂質は、遊離ステロール（FS）、ステリルグル

al. 2000）。そこで、1999 年から、私たちはシロイ

コシド（SG）、および、アシルステリルグルコシ

ヌナズナ細胞膜において低温馴化に応答して変ド（ASG）の 3 つに分けられる。複数の植物を用動するタンパク質を網羅的に同定することを開いた研究結果では、低温馴化過程におけるこれら

始した（Kawamura & Uemura 2003）。

ステロール脂質の変化に規則性が認めらなかっシロイヌナズナを用いて、低温馴化に応答してた（Steponkus et al. 1993）。しかし、耐凍性の高い

約 40 個の細胞膜タンパク質が量的に変動するこ植物（ライムギ）と低い植物（カラスムギ）を比とを明らかにした（図 1）。変動するタンパク質の-8-

植物科学の新展開

低温馴化応答細胞膜タンパク質の同定に成功し、その中には、膜修復、浸透ストレス防御タンパク質、タンパク質分解、それに、低温や乾燥に応答して出現するタンパク質（デハイドリンなど）などが含まれていることが判明した。
次に課せられたことは、これらの低温馴化応答細胞膜タンパク質の機能を解析することである。
そのために、低温馴化応答細胞膜タンパク質をコードする遺伝子を導入した過剰発現形質転換シ
ロイヌナズナを作成し、形質転換
体の凍結耐性や単離プロトプラ
図 2 シロイヌナズナの葉から調整された細胞膜画分に存在するタンパク質の 2次元電気泳動像。馴化前（NA）から馴化 1 日後（ACC 1 day）の間に多くのスポットが量的に変動していることがわかる。ACC 2 day は馴化 2 日目、ACC 4days は馴化 4 日目、ACC7days は馴化 7 日目を示す。（Kawamura & Uemura
2003）

ストの凍結挙動を調べている。現在までに、リポカリン様タンパク質（AtLCN）やデハイドリンの一種（ERD14）を過剰発現する形質転換体が野生型に比べて高い凍多くは、シロイヌナズナの凍結耐性が大きく増大

結耐性を有していることを明らする馴化 24 時間以内に変動していることも明らかにした（Tominaga et al. 2005）。凍結耐性は多くかになり、タンパク質変動は非常に早く起こるこの遺伝子発現制御の結果として表されるものでとが示された。同時に行った脂質分析の結果は、あるため、1 個の機能遺伝子を過剰発現しても、

馴化 24 時間後では大きな変動がないことを示し

凍結耐性の増大程度は小さい。しかし、AtLCN もており、馴化 24 時間で起こる細胞膜の凍結挙動

ERD14 形質転換体も、再現性のある結果を得ていの変化には細胞膜タンパク質が関与している可る。さらに興味深いのは、単離プロトプラストを能性が示唆された。

用い、冷却速度を変えて-10℃までの凍結過程とそ

ついで、これらの低温馴化過程応答細胞膜タンの温度からの融解過程について低温顕微鏡観察

パク質を質量分析（マトリックス支援型レーザー

すると、AtLCN 形質転換体は EIL 発生が抑えられイオン化飛行時間型質量分析、MALDI/TOF-MS）ている傾向があること、ERD14 形質転換体はそれによって同定することを試みた。この方法は、ペに加えて早い冷却速度における細胞内凍結発生

プチド断片のアミノ酸配列を決定することによが抑えられていることが示唆された。以上の結果

るタンパク質同定法に比べて、非常に少ない量では、低温馴 化過程で細 胞膜近傍に 蓄積され る

解析することが可能であり、シロイヌナズナのよ

AtLCN および ERD14 の機能が異なっていること

うに全遺伝子にコードされているタンパク質にを示している。さらに、低温馴化応答細胞膜タン関する情報が揃っている植物では、強力な解析方

パク質の作用分子機構に関する研究を進めるこ法となる。MALDI/TOF-MS によってほとんどのとにしている。

-9-

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -果は、故 Peter L. Steponkus 教授（コーネル大学）
を初めとするコーネル大学滞在時の研究仲間、岩おわりに
凍結脱水過程における細胞膜の挙動は、細胞膜

手大学で研究室を立ち上げるところから一緒に

自身の組成のみによって決定されるものではな

行ってきた多くの学生・院生・ポスドク諸君の協い。しかし、以上述べてきたように、低温馴化過力なしには得られませんでした。全員の名前を挙

程で細胞膜脂質・タンパク質組成が大きく変動す

げることはできませんが、この場を借りて全てのるという事実から、これらの変動が凍結耐性増大

方に深く感謝いたします。

に置いて大きな役割を担っていることは疑いない。また、変動する脂質やタンパク質成分が果た

参考文献

す凍結耐性増大に対する機能を解析する必要がBrenton, G., Vazquez-Tello, A., Danyluk, J. & Sarhan,

あるのは言うまでもない。

F. (2000) Two novel intrinsic annexins in wheat

近年の分子生物学的手法の急速な発達によっmembranes in response to low temperatures. Plantて、耐凍性獲得に関わっている因子が詳細に解析& Cell Physiology 41: 177-184.

されつつある。低温下で起こる遺伝子発現を網羅

Cahoon, E.B. & Lynch, D.V. (1991) Analysis of

的に解析するトランスクリプトーム（マイクロア

glucocerebrosides of rye (Secale cereale L. cv

レイなどを用いる）はその良い例であるが、遺伝

Puma)

子発現プロファイルの解析だけで耐凍性形質をPhysiology 95: 58-68.

理解することは難しい。低温に応答して発現変動

leaf

and

plasmamembrane.

Fujikawa, S. & Steponkus, P.L.

Plant

(1990) Freeze-が起こる遺伝子にコードされるタンパク質の機

induced alterations in the ultrastructure of the

能や、そのタンパク質によって生成される物質のplasma membrane of rye protoplasts isolated from

影響を精力的に解析していく必要がある。究極的

cold-acclimated leaves. Cryobiology 27: 665-666.

には、植物の凍結耐性形質を詳細に理解すれば、Goodwin, W., Pallas, J.A. & Jenkins, G.I. (1996)

凍結傷害発生を回避する機構の付加、言い換えれTranscripts of a gene encoding a putative cell wall-

ば、凍結耐性増大（付与）作物の育種も効率的に

plasma membrane linker protein are specifically

行えるようになると考えられる。まだまだ残されcold-induced in Brassica napus. Plant Molecularている問題は多いが、これからも、少しでも、細Biology 31: 771-781.

胞膜の凍結耐性獲得機構における機能的役割のGordon-Kamm, W.J. & Steponkus, P.L. (1984)

解明に努めていきたいと考えている。

Lamellar-to-hexagonal II phase transition in theplasma membrane of isolated protoplasts after

謝辞freeze-induced dehydration. Proceedings of the

本稿を書く機会を与えて下さった、「植物科学

National Academy of Sciences of the United Statesの新展開−分子から群集まで広視野研究をめざ

of America 81: 6373-6377.

す−」シンポジウム実行委員会（前島正義委員長）

Guy, C.L. (1990) Cold acclimation and freezing stressの皆様に感謝いたします。北海道に生まれた時か

tolerance: role of protein metabolism. Annual

らこのような道に入るのが決まっていたのかも

Review of Plant Physiology and Plant Molecular

しれませんが、現在、まだ研究を続けることがで

Biology 41: 187-223.

きているのは、北海道大学大学院に進み、博士課

Imai, R. (2004) Molecular characterization of

程から指導していただいた吉田静夫先生の影響

phospholipidが最も大きいと思います。本稿に記された研究成

acclimation in wheat. In: Abstract book of the 7th- 10 -

biosynthesis

genes

duringcold

植物科学の新展開

International

Plant

Cold

Hardiness

Thomashow, M.F. (1999) Plant cold acclimation:

Seminar,Freezing

Sapporo.

tolerance

genes

and

regulatory

mechanisms. Annual Review of Plant Physioogy

Ishikawa, M. & Yoshida, S. (1985) Seasonal changes

and Plant Molecular. Biology 50: 571-599.

in plasma membranes and mitochondria isolated
possible

Tominaga, Y., Nakagawara, C., Kawamura, Y. &relationships to cold hardiness. Plant & Cell

Uemura, M. (2005) Effect of plasma membrane-

Physiology 26: 1331-1344.

associated proteins on acquisition of freezingfrom

Jerusalem

artichoke

tubers:Masstolerance in Arabidopsis thaliana. In: Plant Cold

spectroscopic approaches for identifying putative

Hardiness (The proceedings of 7th International

plasma membrane proteins of Arabidopsis leaves

Plant Cold Hardiness Seminar; T.H.H. Chen, M.

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- 12 -

植物科学の新展開

どのような仕組みで冷温誘導性の細胞質の酸性化は起きるか:
冷温傷害機構の解明に向けて河村幸男（岩手大学農学部附属寒冷バイオシステム研究センター）の溶液を中性にしても細胞質の酸性化は生じる

はじめに熱帯、亜熱帯産の植物の多くは低温に敏感で、（Yoshida 1994）。この事から細胞質の酸性化は0〜12℃にさらされると栄養成長や生殖成長が阻

主に液胞からのH+の流出により生じ、液胞膜のH+

害され、組織や器官、個体そのものが不可逆的なに対する半透過性の消失やH+ 輸送系の機能障害

傷害を受ける。この様な低温傷害は凍結傷害とはが原因であると予想されている。液胞膜のH+の輸異なり温度のみにより生じ、冷温傷害と呼ばれる。

送系はH+-PPase (V-PPase)とH+-ATPase (V-ATPase)

冷温傷害は光条件や湿度などの低温処理条件、まという２つのH+ 輸送酵素からなり、このうち、

たさらされる温度と時間や植物の生育条件に大V-ATPaseは低温傷害初期過程で急速に失活する

きく依存する。例えば、光照射のもとで植物を冷ことが知られている。しかし、V-ATPaseの低温失

やすと、葉は短時間で光合成機能をなくし、肉眼

活と細胞質の酸性化の直接的な因果関係は全く的にも暗黒化の低温処理よりも著しい傷害が現説明できていない。この理由は植物が普段、傷害れる。これは、常温では正常に働いていた葉緑体を受けない温度でどのようにして細胞質のpHを内の活性酸素消去系が低温では機能が低下する

一定範囲に保っているかが全く分かっていない

ことによると考えられている。逆に、植物を水分ことによる。

飽和の条件で冷やすと傷害は著しく軽減される

自然の中では植物は常に環境の変化、例えば温ことが多い。一方、低温感受性の高い植物では、度変化に曝され、H+流入速度や流出速度は必ずそ

暗黒-水分飽和の条件で低温にさらしても細胞はの影響を受ける。また細胞内の多くの物質輸送は

短時間で致死的な傷害を受ける。この事は細胞内H+濃度勾配を利用しており、輸送物質の量が変化に低温そのものに敏感な生体膜やタンパク質がすれば当然H+流出速度も変化する。この事は、もあることを示しており、それらを明らかにするこし植物細胞がH+ 流出入をうまく調節できる機構とは低温傷害機構を知る上で必要不可欠である。

を持っていなければ、細胞質のpHを一定に保つこ

一般的に低温傷害は低温にさらされた直後に不とは出来ないことを意味する。このpH調節には遺可逆的な傷害に至るものではなく、回復可能な初伝子発現も含まれるであろうが、瞬時に変わる変期傷害を経て徐々に二次傷害が誘発されながら、化に対しては対応しきれないことが予想され、実不可逆的傷害へと進む。植物の低温傷害機構を理際にpHを一定に保つためには生化学的な機構が解するためには、まず回復可能な初期傷害の機構必須であると考えられる。この様にして植物細胞を知ることが大切と考えられる。

は生化学的なpH調節機構を持っていると推察さこれまでの研究により、ヤエナリ懸濁培養細胞

れるが、これまでこの機構については全く検討さから調整したプロトプラストを暗黒条件下で0℃

れてこなかった。このpH調節機構の観点から低温にさらすと、低温傷害初期過程において液胞のア

傷害初期過程における細胞質の酸性化の原因をルカリ化と同時に、細胞質の酸性化が起きること考え直すと、次のような仮説が考えられる。すなが分かっている（Yoshida 1995）。また、細胞外

わち、1) 液胞膜にはV-ATPaseもしくはV-PPaseを- 13 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -含むpH勾配を調節する生化学的な機構が存在し、細胞は環境の様々な変化に対して一定に細胞質と液胞のpH勾配を保つことが出来る; 2) この機構が低温処理により崩壊し、その結果、細胞質の酸性化がもたらされる。この仮説を詳細に検討するために液胞
膜小胞を用いて以下の3つの項目について実験を行った。すなわち、
1) PPiもしくはATP依存性の液胞
小胞内へのpH勾配形成過程の数式モデルの導入し、H+流出入を明確にする; 2) ATPもしくはPPi依存性のpH勾配形成過程の温度特性を調べることによりpH調節機
構を推定する; 3) ATPもしくは

図1 アクリジンオレンジを用いたH+勾配測定法の簡略図。アクリジンオレンジ
は、酸性条件になると多量体を形成し蛍光を発しなくなる。また、一量体では膜を通過できるが二量体以上になると膜を通過できなくなる。その結果、小胞内が酸性化すると小胞内に二量体以上のアクリジンオレンジによる蛍光が低下する。そのため、アクリジンオレンジの蛍光消失によりH+勾配が推定できる。H+輸送活性の測定はMgSO4を加えることにより始め、H+流出の測定は、定常状態のH+勾配をV-ATPaseおよびVPPaseに形成された後、EDTAを加えることによりそれぞれの分解活性を停止させ、始めた。

PPi依存性のpH勾配形成過程の低よればほぼ１分で解消された。しかし今回得られ温処理後の変化を検討する。以下に、過去の実験

た液胞膜画分では、20分経過後でも、初期のpH勾の問題点を含めながら結果を述べる。

配の60％を保っていることが確認された。このことは、乳鉢乳房で植物体を破砕することで得られ過去の報告の実験の問題点

た液胞膜は人為的な作用による水素イオンの流

これまでの報告では、植物体の破砕には出が従来の膜よりも遙かに押さえられて測定でPolytronもしくは家庭用ミキサーが使用されてき

き、より信頼のある結果が得られることを示してたが、この方法で単離された液胞膜は非常に傷ついる。この液胞膜画分を用いて、アクリジンオレ

いており正確なH+ 輸送活性やH+ 流出が測定できンジを用いた蛍光消失法によりATPもしくはPPi

ないことが明らかになった。そこでこれらの方法

依存性のH+集積過程すなわちpH勾配形成過程とより遙かに穏やかな破砕法である乳鉢乳房によ

H+流出の測定を行った（図1）。

る植物体の破砕法を採用し液胞膜の単離を試みた。その結果、従来の方法で得られた膜画分より

H+集積過程の数式モデル

も液胞膜H+-PPase(V-PPase)のH+ 輸送活性を示す

アクリジンオレンジの蛍光消失変化の割合を

H+ 輸送初速度はおおよそ２倍以上高いことが明Q(t)とすると液胞膜小胞内の水素イオン濃度変化

らかとなった。また、過去のデータとも比較して[H+in](t)は下記の式で表れされる。

も両酵素のH 輸送初速度は２倍上昇しているこ
+

Ka
Q(t)
[H +in ](t) (Volout + Vol in )=⋅ (1 + + )⋅+1
[H out ] (1− Q(t))[H +out ]Volin··· (1)とが確認された。同じヤエナリ上胚軸から単離した 液 胞 膜 画 分 を 用 い た H+ 流 出 に 関 し て も 、Yoshida and Matsuura-Endo (1991)の報告によれば、

ただし、Volinは小胞内の体積、Voutは小胞外の体積、Kaはアクリジンオレンジに水素イオンが付加

V-PPaseにより形成された定常状態でのpH勾配はする化学反応の平衡定数である。この式に基づいほぼ10分で解消され、Darley et al. (1995)の報告にてPPi又はATP依存性のH+集積過程もしくは、PPi- 14 -

植物科学の新展開

るが、もし膜のH+透過率が一定であればフィックの法則に基づいて下記の式で表される。

d[H +in ](t)++= P ⋅ ([H out ] − [H in ](t))
dt··· (3)pHの式で表すなら式(3)は下記のように変換でき
る。

βi ⋅

dpH in(t)= P ⋅ (10 − pH − 10 − pH ( t) )dt··· (3’)outin

ただしPは膜のH+透過率、βiは小胞内のH+緩衝能
図 2 V-PPase もしくは V-ATPase による液胞膜小胞内の pH変化。MgSO4 を反応液に入れることにより小胞内への H+
勾配が化学ポテンシャルにより H+流出をもたらす。H+流入と H+流出が釣り合ったところで見かけ上、小胞内の pH
変化が止まる(定常状態)。定常状態になったのち、EDTAを加えることにより Mg2+をキレートし、V-Ppase もしくは
V-ATPase による H+流出を止め、H+流出のみを測定する。

(internal buffering capacity) を示す。この中で定数項はPとβiであるが、液胞膜のβiはすでにいくつかの植物で求められており、その値は小胞内pHにあまり依存せず、またどの植物でもほぼ同じ値であることが分かっている。そこでH+透過率であるPのみを求めればよく、図2のH+流出を示すデータ

またはATP存在下でのH+ 流出過程における液胞ーを用いて計算できる。膜のH+透過率と小胞内pH

膜小胞内のpH変化の計算を行った（図2）。次にの関係を明らかにするために、1分ごとの小胞内小胞内へのH+集積過程は下記の式で表せる。

pHとその時のPをプロットした（図3A）。その結果、膜のH+透過率は小胞内pHに依存しないことがH+集積速度=H+流入速度+H+流出速度 ··· (2)

明らかになった。実際にこの値の平均を用いて、式の中で示した3つの項のうち、実測できるもの

シミュレーションを行うと理論的なH+ 流出過程

はH 集積速度とH 流出速度で、H 流入速度はこれはほとんど実験によるものと一致する（data not

+

+

+

らの差でしか求められない。まずH 流出速度であ+shown）。興味深いことにPPi存在下とATP存在下
では膜のH+透過率が異なった。しかし、PPiとATP両基質存在下の膜のH+ 透過率はPPiのみの時と同じ値を示したので、膜のH+透過率はPPi依存性であると考えられた（図3B）。このPPiの有無によるH+透過率の差は、PPi依存性のH+アンチポーター、H+シンポーター、もしく
はH+チャンネルの存在によるもの
かもしれないが、現在のところはっきりとした理由は分からない。

図3 液胞膜小胞のH+透過性(P)。図2のH+流出を示すデータを用いて式(3’)に基づいてH+透過率Pの計算を行った。膜のH+透過率と小胞内pHの関係を明らかにするために、1分ごとの小胞内pHとその時のPをプロットした(A)。膜のH+
透過率は小胞内のpHに依存しなかったが、興味深いことにPPi存在下とATP
存在下では膜のH+透過性が異なった。そこでPPiとATP存在下でH+透過率を測定し、その平均値を示した(B)。PPiとATP両基質存在下の膜のH+透過率はPPiのみの時と同じ値を示したので、膜のH+はPPi依存性であると考えられた。

- 15 -

次 に 、 V-PPase も し く は VATPaseによるH+流入速度と小胞内pHとの関係を求めるために、式(2)に基づいてH+集積速度からH+流出速度を引くことにより算出した

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -図4 V-PPaseもしくはV-ATPaseによるH+流出速度。H+流入速度と小胞内pHとの関係を求めるために、式(2)に基づいてH+
集積速度からH+流出速度を引くことにより算出した。その結果、小胞内pHの減少、すなわち小胞内が酸性になるにつれ、
V-PPaseまたはV-ATPaseによるH+流出速度は直線的に減少することが明らかとなった。

（図4）。その結果、小胞内pHの減少すなわち小となった（図5）。この様にして、PPiもしくはATP

胞 内 が 酸 性 に な る に つ れ 、 V-PPase ま た は V-

依存性のH+ 集積過程は式(４)で表され、V-PPase

ATPaseによるH+ 輸送速度は直線的に減少するこまたはV-ATPaseによるH+流入は液胞内のpHもしとが明らかになった。以上の結果、小胞内pHの時

くは液胞膜間のpH勾配に依存することが明らか

間変化を示す微分方程式は

となった。

βi ⋅

dpHin(t)= 10 v +v ⋅pH ( t) + P ⋅ (10−pH − 10−pH (t ) )
dt
0

1

in

out

in

PPiもしくはATP依存性のpH勾配形成過程の温度··· (4)特性となる。左辺はH 集積速度すなわち小胞内pHの時もし生化学的なpH調節機構が存在するなら、液間変化、右辺の第一項はH 流入速度、右辺の第二胞膜小胞にもその特徴は残っている可能性は高項はH+流出速度を表す。この式をもとにシミュレ

く 、 例 え ば 様 々 な 温 度 で V-PPase も し く は V-ーションを行い、実験結果との比較を行うと理論

ATPaseによるpH勾配形成過程の測定を行っても値と実験値はほとんど変わらないことが明らか

最終的なpH勾配は温度に関係なく一定に保たれ++るはずである。そこでPPiもしくはATP依存性のpH形成過程の温度特性について調べた。温度を0-20℃まで変化させてみると、PPiもしくはATPによるpH勾配形成速度は低温になるにつれ両者とも低下した（図6）。ATP依存性のpH勾配形成能
も低温になるにつれ低下し、特に10℃未満になるとその低下は著しくなったが、PPi依存性のpH勾
配形成能そのものは低温下でもほぼ一定に保たれた（図6）。しかし、先に示したように膜のH+
透過率はPPiに依存するため、V-ATPaseによるpH
勾配形成はPPi存在下で評価されなければならない。その一方でV-PPaseに特異的な阻害剤がないためにこの様な実験は実際には難しい。そこで、

図5 実験値とシミュレーション結果との比較。式(4)をもとにシミュレーションを行い、実験結果との比較を行った。

- 16 -

植物科学の新展開

not shown）。しかし、PPiまたはATP依存
性pH勾配形成能は低温処理により大きく低下し、両過程とも無処理サンプルに対しておおよそ50％にまで低下した（図7）。
この結果は低温処理によりV-PPaseとVATPaseの両H+輸送酵素に脱共役が生じる
ことを示唆する。液胞膜間のpH勾配の安定性は、PPi依存性のpH勾配調節機構によ
図6 PPiもしくはATP依存性のpH形成過程の温度特性。温度を0 C-20 Cまで変化させて測定した。
oo

りもたらされていると考えると、これらの低温誘導性脱共役の中で、PPi依存性pH
勾配形成能の低下が直接的に細胞質の酸シミュレーションにより、V-ATPaseによるH+流入性化をもたらしている可能性が極めて高いと考とPPi依存性のH+流出の組み合わせを評価した。

えらる。次に低温処理によるpH勾配形成能の低下

その結果、V-ATPaseは温度変化に対してpH勾配の原因を詳細に検討するために、低温処理後のを一定に保つことができないことが予想されたPPi依存性のH+ 透過率とV-PPaseによるH+ 流入速（data not shown）。このようにして温度変化に対度の小胞内pHに対する依存性について検討した。

して液胞膜間のH+ 勾配を一定に保つものは、V-

まず、PPi依存性膜のH+透過率であるが、低温処

PPaseとPPi依存性のH 透過率を調節している“も+理前には小胞内pHに対する依存性を示さなかっの”のコンビネーションであることが明らかとなたが、低温処理後には示すようになり、小胞内pHり、生化学的なpH勾配調節機構はPPi依存性の調が酸性化するとH+透過率が直線的に増加した（図節機構であることが推定された。

8）。この事はすなわち、pH勾配が増加するとH+が漏れやすくなることを示す。一方、V-PPaseにPPiもしくはATP依存性のH+集積過程の低温処理

よるH+ 流入速度は低温処理前に示していた小胞

後の変化

内pHに対する感受性が低温処理後に上昇し、小胞これまでの報告と同様にヤエナリ黄化実生に内pHが酸性になるとより早くH+流入速度が低下

対して低温処理を１日行うと、ATP分解活性はした（図8）。この様にして、液胞膜のH+透過率80%まで低下する一方で、PPi分解活性はほとんどとV-PPaseは両者共に低温処理の影響を受け、両変化が見られなかった（Yoshida et al. 1989, data

者の低温感受性が直接的に液胞膜間のH+ 勾配の低下を招くことが示唆された。
結論と今後
本研究の結果は以下の3つにまとめられる。
1) PPiもしくはATP依存性のH+集積過程は以下の数式モデルにより 表 さ れ 、 V-PPase ま た は VATPaseによるH+ 流入は液胞内の図 7 PPi もしくは ATP 依存性の H+集積過程、もしくは H+流出過程の低温処理後の変化。PPi または ATP 依存性 pH 勾配形成能は低温処理により大きく低下
し、両過程とも無処理サンプルに対しておおよそ 50%にまで低下した。

- 17 -

pHもしくは液胞膜間のpH勾配により調節されている。

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -図 8 低温処理後の PPi 依存性の H+透過率(A)と V-PPase による H+流入速度(B)の小胞内 pH に対する依存性。

βi ⋅証拠と思われる。

dpH in(t)v + v ⋅pH ( t)− pH− pH (t )= 10+ P ⋅ (10
− 10
)
dt
0

1

in

out

in

今後は、1) PPi依存性の膜のH+透過率を調節し

2) 液胞膜間のpH勾配の安定性には、PPi依存性pHている具体的な“もの”はなにか?、2) PPi依存性の勾配形成機構、すなわちV-PPaseによるH+流入調

膜のH+透過率とV-PPaseのpH調節機構の生化学的節とPPi依存性の膜のH+ 透過率を調節しているなメカニズムの解明、3) PPi依存性の膜のH+透過“もの”によるH+ 流出調節が少なくとも必要であ

率とV-PPaseの低温感受性のメカニズムの解明、4)る。

V-ATPaseの低温失活が具体的にどの様な生理的

3) 低温処理によりPPi依存性pH勾配形成機構の傷害を引き起こすか?、5) V-ATPaseの低温失活機

液胞内pHもしくは液胞膜間のpH勾配に対する感構の解明、が今後の冷温傷害機構のさらなる理解

受性が著しく変化し、その結果、液胞膜は十分なには必須である。

pH勾配を液胞膜間で形成できなくなる。
おわりにこれらの結果により、低温処理による細胞質の酸性化の直接的原因は、従来考えられていたV-

冷温傷害機構については、短いながらも計 8 年

ATPaseの低温失活ではなく、PPi依存性H+集積機

間研究してきましたが、その本質については少し

構の液胞内pHもしくは液胞膜間のpH勾配に対すどころか、未だにさっぱり分からないままです。

る感受性の変化によるものと推察された。しかし

いったい何が難しいのか？冷温傷害機構の研究

この事はV-ATPaseの低温失活が冷温傷害に全くでもっとも難しい問題は、 どのようにして細胞関係しないことを示すものではない。実際に、シは死んでいくのか？ 、という問いに正面を向か

ロ イ ヌ ナ ズ ナ で は 幾 つ か の V-ATPase subunit

ないと答えられないことにあると思われます。
死

mutantが報告されいるが 、それらは明らかに生育を研究するためには、まず、 生を知ら傷害を示す(Schumacher et al., 1999, Padmanaban et

ないとだめなのですが、それこそ生物学の本質的

al. 2004)。また、V-ATPase subunitのノックアウト

なテーマそのものです。科学を哲学の一分野としミュータントは致死的であると推定されているて捉えるならば、このテーマは何千年と考えつづ(Padmanaban et al. 2004) 。 こ れ ら の 報 告 は V-

けられ、今なお答えのない問題です。結局、冷温

ATPaseの低温失活が致死的な、もしくは重大な傷傷害の研究は 生きていることとはどういうこと

害を引き起こすであろうと推定するには十分なか？ 、という問いに対して- 18 -

裏から考えてい植物科学の新展開

くようなもののように感じています。この観点か

H+-ATPase in plant growth and development.

ら考えると、吉田静夫先生が発見した低温誘導性

Genes & Development 13, 3259-3270.

の細胞質の酸性化は、細胞がまさに 生 から 死

Yoshida,S.

(1994).

Low

temperature-inducedへ転ずるそのときを捉えたもので、哲学的な意味

cytoplasmic acidosis in cultured mung bean (Vigna

合いも大きく、何度見ても感銘を受ける、数少な

radiata (L.) Wilczek) cells. Plant Physiology 104,

い研究のひとつです。現在は、凍結傷害の研究を

1131-1138.
Yoshida, S. (1995).

行っていますが、冷温傷害機構については機会がLow

temperature-induced

あれば今後とも関わっていきたい研究テーマでalkalization of vacuoles in suspension-cultured

あり、その中で 生 の本質を垣間見らればと考

cells of mung bean (Vigna radiata (L.) Wilczek).

えています。

Plant Physiology 36, 1075-1079.
Yoshida,

謝辞

S.,

and

Matsuura-Endo,

ComparisonoftemperatureC.

(1991).

dependencyof

本稿を書く機会を与えて下さった、「植物科学tonoplast proton translocation between plantsの新展開−分子から群集まで広視野研究をめざ

sensitive and insensitive. Plant Physiology 95, 504-

す−」シンポジウム実行委員会（前島正義委員長）

508.

の皆様に感謝いたします。本稿の研究成果は、Yoshida, S., Mastuura, C., and Etani, S. (1989).

Heven Sze 教授（メリーランド大学）の協力のもImpairment of tonoplast H+-ATPase as an initialと得られたものです。この場を借りて深くお礼をphysiological response of cells to chilling in mung

申し上げます。最後に、低温植物生理学の面白さ

beanとその深みを、私が学生時代に伝えて下さった吉Physiology 89, 634-642.

田静夫先生に心から感謝いたします。本研究は日本学術振興会の援助の下に行われました。なお、本文中の図は全て原図です。
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Wilczek).

Plant

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -樹木の低温馴化とは何か？
宇梶（北海道大学徳史

低温科学研究所

寒冷生物圏変動）

秋から冬にかけてのプロセスは低温馴化と呼分野の研究は比較的多い。短日条件で耐寒性が上

ばれ、冬の厳しい寒さに耐える為に温帯性落葉樹

昇することは、フィトクロムＡの過剰発現によりが用いる生存戦略の 1 つである。一方で、温帯性短日条件に対して非感受性となった形質転換ポ

落葉樹の低温馴化は、落葉、休眠、そして耐寒性

プラが、短日処理後の耐凍性が野生株と比較して上昇といったプロセスが重なり合う複雑なプロ低いことで、直接的に示された（Olsen et al., 1997）。

セスであり、また、いずれの現象も全く独立した

また、デハイドリンなどの耐凍性関連タンパク質

生物学的現象ではなく、それぞれが密接に関連しが短日条件により誘導されることも報告されて合って、低温馴化という 1 つの生物学的現象を導いる（Karlson et al., 2003）。

き出している。本稿では、筆者が最近まで、クワ

一方で、短日条件により誘導される耐凍性は、（Morus bombycis Koidz.）を植物材料として行っそれほど大きくないことが、シラカンバにより報てきた研究をベースにして、樹木における低温馴

告されている（Li et al., 2002, 2003）。秋の短日条化研究の現状について紹介したい。ちなみに、筆件が直接的に何らかの機構を通して耐凍性を上者の現在の研究テーマは、 落葉昇させているというよりはむしろ、休眠を誘導すがキーワードることにより、結果的に耐凍性も高まっているとである。
歴史的に、樹木の低温馴化は、まず、短日条件考えるのが妥当ではないか。最近、種子休眠の制により成長が停止し、その後、植物が低温に曝さ御因子である ABI3 タンパク質が、秋のポプラのれることにより、耐凍性が獲得されるとされる冬芽で同定された（Rohde et al., 2002）。秋の短日（Fuchigami et al., 1971）。樹木の耐寒性研究者の条件は、ABA やジベレリンの相互作用を介して冬

多くは、この樹木に特徴的な短日条件で耐凍性が芽の休眠を制御しているものと推測されている。

獲得されるメカニズムに興味を持っており、この

一方、樹木の耐寒性が低温処理のみである程度

図１ 温帯性落葉樹の耐寒性獲得のスキーム。植物ホルモンであるアブシジン酸（ABA）が働いているプロセスに関しては明確な結論は得られていない。

- 20 -

植物科学の新展開まで獲得できることもよく知られた事実である

れ、低分子量熱ショックタンパク質、グループ（Fuchigami et al., 1971）。シラカンバ苗を用いた

2LEA タンパク質、グループ 3LEA タンパク質、研究では、低温処理により獲得した耐凍性は、短そして日条件や ABA 処理したシラカンバよりも高い耐

れらは、小胞体に局在するもの（低分子量熱ショ

凍性（-20℃以下の）を示した。また、本来、秋にックタンパク質、グループ 3LEA タンパク質）及

は落葉してしまう葉の耐凍性も上昇していた。こび、細胞質と核に局在するもの（グループ 3LEA

れらの結果は、ある程度の耐凍性を獲得するだけ

タンパク質、PR-10 タンパク質）に大別される。

ならば、温帯性落葉樹といえども、休眠や落葉を耐寒性を獲得しているクワはこのような多種多

伴わなくても良いということになる。それでは、様なストレス関連タンパク質を溜め込んでいた

なぜ、温帯性落葉樹は、休眠、落葉、そして、耐凍性の獲得というダイナミックな変化を伴うのわけである。
これらのタンパク質をコードする遺伝子は、枝であろうか？

を低温処理することにより転写物の蓄積量が増

PR-10 タンパク質をコードしていた。こ

筆者は、最近まで、温帯性落葉樹の１つである

加する。このことから、秋の気温の低下が、本研

クワ（Morus bombycis Koidz.）を主要な研究材料

究で同定されたタンパク質の蓄積を誘導していとして用いてきた。クワは低温研でも長い間、植ることが示唆された。先に述べたように、樹木の物材料として用いられてきた樹種であり、世界的耐寒性研究は、その多くが、日長による低温馴化

に見ても、耐寒性研究分野においてよく研究されに焦点を当てていた。この結果、樹木の耐寒性獲ている樹種の１つである（Yoshida, 1984、など。
文献多数）。また、教科書にも、耐寒性の高い樹得プロセスにおける低温の影響を遺伝子レベル種の１つである、とも紹介され、耐寒性研究分野

で示した例が少なかった。実際、筆者も、低温よではそれなりに知名度が高い樹種であることがりは短日条件の方が、これらの遺伝子の誘導には伺い知れる（Staehelin and Newcomb, 2000）。筆者

効果的なのではないかと推測していた時期もあの研究は、単刀直入に言えば、クワの耐寒性獲得った。本研究により、樹木においても、秋季の低と関連するタンパク質を同定するということで温が耐寒性獲得に重要であることが示唆された。

あったが、その結果、冬季に蓄積するタンパク質

一方、これらのクワで同定されたタンパク質はを 4 つ同定した。これらのタンパク質は、それぞ

図２ クワに蓄積する PR-10 タンパク質転写物量は低温に反応して増加する。8 月と 9 月では転写物量の増加に違いが見られることから、低温以外の要因も PR-10 タンパク質の蓄積に関与していることが考えられる。

- 21 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -細胞内における蓄積量が非常に多い。筆者は、冬いるが、実際にどのような環境を秋から冬への季

季のクワ細胞中に含まれるタンパク質のうち、蓄節の移り変わりに用いているかは樹木種によっ

積量上位3位のうち、少なくとも2つは今回同定して多少のばらつきが存在するようだ。ポプラやシたタンパク質で占めていると推測している。この

ラカンバといった北方林構成樹種は、日長の変化ことから、同定されたタンパク質の幾つかについを季節の移り変わりを完治する主要な情報としては、翌年の成長に利用される窒素の貯蔵機能もて用いているようだ。一方、温帯〜熱帯を主要な有していることを示唆している。ここで再度述べ分布域とするクワは、日長のみならず、気温の低

たいのは、この窒素貯蔵機能を有するタンパク質

下も冬の訪れを察知知る重要なシグナルとしての蓄積が、どうやら秋の低温により制御されてい用いているようだ。この現象は、吉田先生が経験るらしいということである。

論として話されていたことであり、格段目新しい先に紹介した、フィトクロム A 過剰発現ポプラ

事実ではないが、徐々にメカニズムを解明できそが短日処理に対して鈍感となったことで明らか

うな所まで近づきつつある感じがする。日長に対であるように、樹木の冬芽休眠は秋の短日条件にする応答が多様であることは、草本植物でよく知より誘導されると考えられている。筆者の研究でられており、その分子機構が近年、目覚ましい勢

示された、窒素貯蔵機能を有するタンパク質の蓄

いで明らかになりつつある。このような研究の進積が、どうやら秋の低温により制御されているら

歩と歩みをともに出来るよう、樹木の環境応答機

しいという推測から、秋から冬にかけての季節の構を筋道付けて説明できればいいなと思ってい移り変わりとともに、以下のことが起きているとる。

推測される。すなわち、まず、短日条件により成長停止し。次に気温の低下が引き金となり、葉からのタンパク質の回収が起こり、それをもとにし謝辞て、貯蔵タンパク質の蓄積がおこるということで本稿を書く機会を与えて下さった、「植物科学ある。従って、少なくともクワでは、秋に十分にの新展開 -分子から群集まで広視野研究をめざす

低温に曝されないと、葉から十分に窒素の回収が-」シンポジウム実行委員(委員長 前島正義)各位

おこらず、翌年の成長に影響することが推測されに感謝いたします。また、これまでの研究が行える。

るきっかけを与えて下さった北海道大学大学院

しかしながら、この考え方が他の樹木種にもそ時代の初期指導教官であった吉田静夫先生に深のまま当てはまるかというと、疑問がないわけで謝いたしますはない。ポ プラで同定 された貯蔵 タンパク 質
BSP32 は、短日条件に応答して蓄積することが報

参考文献

告されている（Coleman et al., 1991）。研究例がそColeman G.D., Chen T.H.H., Ernst S.G. & Fuchigami

れほど多くないので、はっきりしたことは分からL. (1991) Photoperiod control of poplar bark

ないが、結局のところ、ポプラは貯蔵タンパク質

storage protein accumulation. Plant Physiology 96,の蓄積に主に短日を利用しているのに対して、ク686-692

ワは日長よりも低温も利用しているものと推測

Fuchigami L.H., Weiser C.J. & Evert D.R. (1971)される。
筆者はクワにおける環境応答メカニズムを1つInduction of cold acclimation in Cornus stolonifera
Michx. Plant Physiology 47, 98-103のモデルとして、樹木の環境応答機構を推測してKarlson D.T., Zeng Y., Stirm V.E., Joly R.J. &- 22 -

植物科学の新展開

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Ukaji N, Kuwabara C, Takezawa D, Arakawa K,
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- 分子から群集まで広視野研究をめざす -寒さ・雪氷・山岳は植物に何を与えるか: マクロスケールから
佐藤利幸 (信州大学理学部・生物科学 山岳科学)

時は流れて 30 年弱、ちょうど大学院入学のはじめに
寒さは暖地植物の生活史（生活環）に制限を与1976 年以来顕著となった地球温暖化を知った。

える。たとえばイネの登熟時期に 15C 以下では冷1996 年夏に中部山岳に転勤して早や 8 年が過ぎた。

害につながる。バナナの皮は冷蔵庫に入れると黒

その間に地球温暖化により亜熱帯の植物群のい化する。タマシダの葉は-5C で凍死する。しかしくつかが本州暖地（暖温帯）にも侵入する事実をヤナギや針葉樹は-192C でも生存できる。なぜ知った。かつては和歌山県南部まで分布していたか？生物の器官・組織・細胞・小器官・高分子・

モエジマシダが名古屋大学構内での生活環が認

分子レベルでの総合的解明をめざす植物凍害科

められ、静岡県南部まで分布していたホウライシ

学部門が 30 年前の低温科学研究所の酒井・吉田

ダが松本市内で確認された。ここ数年、成田空港研究室であった。もちろん近くの生理学研究室でや大阪国際空港に降りると、熱帯マレーシアのクも低温貯蔵によるエネルギー保持や細胞越冬のアラルンプールやブラジリア空港での「熱帯の臭メカニズムの研究が展開していた。

い」を覚える。すなわち目に見えないミクロの世界でも温暖化が進行しているようである。

日本の極寒地（北海道北部歌登町）に生まれた
自分にとって、「忘れたい寒さや吹雪」を大学のさらに、1976 年から顕著となった冬期間の温暖研究所で繰り返すのはいささか抵抗があった。暖化によって、高地山岳に広く分布していた寒地植地（内地）に憧れ、旭川・札幌へとたどりついた物が姿を消す事実も報告されている。極寒の故郷

結果が、北大キャンパス北端の大学院生活の始ま

歌登町でも-30C にはならないと聞く。ロシアのオりであった。高専を中退し高等学校の生物学知識

イミヤコン（最寒-71.2C の記録）近くの女性村長が皆無の自分にとって、理学部の重厚な暗さ・海さんも「最近は暖かく-60C にもならない・・」と藻のむなしさ（ピンセットで海からエクトカルプ

つぶやいた。南日高のアポイ岳では高山草原にハスをつまむ）・生命科学（分子生物学）の難しさ

イマツの侵入が顕著と聞く。南アルプス北岳でに打ちのめされていた。かろうじて好きな緑色の1986 年に発見されたヒメヤナギランやヒイラギ

陸上植物（洞穴のシダ植物）に活路を感じつつも、デンダも消えたのかも知れない。古くは極東ロシ

京都での失恋・大学院受験失敗の末路であった。

アのグイマツもかつては日本の山地に広く点在許された研究室はここだけであった。後に早熟のしていたのであろう。

友人（大村氏）から、低温科学研究所とは、人口本抄録では、暖地性植物への生活史制限や分布

雪の誕生と線香花火のエッセイで著名な中谷宇拡大を阻止する寒さ・積雪・山岳環境ではなく、吉郎が礎をつくり、雪氷学の基礎・応用研究にお「寒冷・積雪・山岳環境の植物生活史への恩恵」

いて世界の中心であること。生物の耐寒性・低温について、寒地植物群の立場から見直してみる試障害メカニズムで酒井・吉田先生が世界的な研究案である。

を推し進めていることを教えられた。恥ずかしく

ちなみに北海道低地から中部山岳高地に追いも泥縄人生に翻弄してきた自分はその価値を全やられた自分を、「寒地生物の一例」に見立て、

く知らずに所属することになった（佐藤, 2001）。

寒地植物の生育場所探しと分布様式についてマ- 24 -

植物科学の新展開植物にとっての寒さとは
温帯すなわち季節のある地域に生息する植物は春夏秋冬に応じて姿あるいは生理生態的な応答（順応）ができる。人間活動における昼夜の活動や生理反応の年版である。
春夏秋冬この慣れ親しんだ季節感も、シベ
リアとマレーシアでは全く通用しない。極寒の冬と暑い夏しかないシベリアにはツン
ドラとタイガがある。

またマレーシアには冬がない。温度の年較差は日較差より小さい。夜明けと夕暮れはごく短い。夕方を
図1

味わう時間はない。またシベリアの夏にはツンドラにおける局所植物多様性の調査

夜がない。温帯域（日本）での秋から冬にかけての寒さ到来は、多くの植物に夏緑性

クロスケールから考察してみたい。

の植物季節を教える。これは食害や傷ついた葉（ときには病原菌）を入れ替える準備ともいえる。

山岳環境における寒さと雪氷
中部山岳では標高 2500 ｍ以上（北海道では一般に常緑の針葉樹や広葉樹の光合成速度は夏1000 ｍ）で森林帯が消え、高山草原となる。そ緑性の葉の約半分である。淡い緑の新緑こそ効率の延長上 3000 km のツンドラでは樹木層（胸高直のよい葉なのである。ツンドラのイワベンケイを径で幹がない）が欠落して草本層（小型の低木は標本として持ち帰ったがなかなか乾燥できない。

多い）が広がる（図 1）。

60 度で 1 ヶ月間乾燥しても葉の先端から芽を伸ば「寒さ・雪氷・山岳」これらのキーワードは北す始末である。乾燥標本作成をあきらめて新芽を北海道に生まれた自分には「ネガテイブ・ストレ

シャーレで培養した。しかし 3 日で菌類が発生しス：辛さや厳しさ」を連想させる。北西日本に生

トロトロに溶けた。さすが菌や病気に出合ったこ

まれた人間にとって、「雪崩れや冷夏」は台風やとのないツンドラ産イワベンケイ（CAM 植物?）地震と並んで、人間生活への有害要因と考えやすであった。

い。しかしながら、もとより寒冷地に生育する草

今年の夏は暑かった。長野県でも 1 ケ月近くの花にとってはどうであろう。ロシアツンドラの永30C 以上の日があったろうか？マメ（ダイズやク

久凍土の表面は 9 ヶ月以上も氷の世界である。ロロマメの実入りが少ないと聞く。寒地植物や温帯

シア語に凍土の言葉はなく、夏の一瞬を「融けた植物には寒さや涼しさが必要らしい。なぜか？謎大地」と呼ぶらしい。地下には天然の冷蔵庫をもはさらに広がっていく。

ち、我々と瓜二つのサハ（ヤクート）人が 10 年
地点から地球へ先までの食料を確保していた（佐藤, 2000）。蚊の信州へ移ってから８年、ほぼ日本の重心にいる。

いない凍った冬こそ快適な移動時期とも聞いた。
ツンドラの植物は 1 ケ月ほどで花をつけ実を結ぶ。

すなわち日本列島を研究するには地の利を得て温室のような覆いをつけると限られた植物のみいる。実際の交通事情はさほど良くはないのだが。

が大きく繁茂し、多くの植物が姿を消すとも言わ一方想い起こすと、北海道北部は北緯 45 度、北れる。

半球陸域の比較研究には最適であった。
1990 年秋、ロシアサハリンへ渡った（マリモ墓- 25 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -であるかを明確に明示すべきことを実感した。

参団?：神田隊長）。初めて北海道を北から眺め、礼文島よりもはるか北に人々が住むことを実感

応答様式の時空間スケール・生物レベルの違いした。そして南（暖地）の小島、日本列島に想いをはせる子供たちと出会った。38 年間の暖地への時間反応、時間を厳密に考えると難しいようで憧れが一気に消えうせた。はるか北に広がるロシ

あるが、とりあえずクウオーツの振動を基準に考アの大地に立ってみると、北海道は最寒地ではなえる。その延長としての一日・一週間・一ヶ月・

く、北半球研究の最地であることを知った。そん春夏秋冬・一年・十年・一世紀・千年程度を想定

な折、信州大学への転勤が待っていた。温暖化にする。生理反応にかかる時間は生物レベルで異な伴って多くの優秀な知人が北海道への転勤を希る。分子反応は数分、高分子反応には数時間、細望したのである。結果として、自分が中部山岳の胞周期は数日など。植物定着には 10 年程度の時谷間に遺存分布の地（レﾘック・レフージア）を間が必要であろう。それが分布定着（生活環の継求めて転勤した。

続）するには 100-1000 年もの時間が必要であろう。

さて、北海道からでも信州からでも視野のスケ

耐寒性や傍雪氷性を考える場合、遠くに残雪をールをどんどん広げてみよう。大雪山から北海道、蓄える山岳は単に美しいだけではない。そこに源

日本、北東ユーラシア、北半球そして地球へと拡をもつ春の小川は夏を超えて持続的に田畑を潤

大したときの分布についてシダ植物 2 種（ウサギす。農作物を育てるのは山岳が見える風景が望ま

シダとイワウサギシダ）を用いて頻度分布を調べしい。雪のかまくらは外気を遮断できる。トクサ

ると、その出現頻度は波打つように入れ替わる。

の枝に作られるアイスキャンデーはトクサを冬すなわち範囲を拡大していくと種ごとに分布頻枯れから守る。これらは器官外凍結（石川・酒井

度の個性的な軌跡が得られる。これを種の地点か

氏らの研究参照）に相当する。シダ前葉体の生存ら地球へのスケールング軌跡とよび、個性を数量は近接する細胞群の凍結や脱水によって凍結水化する試みである(Sato & Takahashi, 1996)。2 年後、をなくする。高分子（アクアポリン？前島氏の研似たようなことを考えた人がいる（Kunin, 1998）。

究参照）の存在は脱水を適切に促進する。雪氷や

しかし 70 種もの植物について、保護すべきスケールをみごとに提言している。
残念ながら自分たちの論文は引用されていなかった。
日本の高山ではごく稀な、マルバギシギシやリシ
リヒナゲシもシベリアではどこにでもある雑草なのである。マルバギシギシはシベリアでの重要な野外調査での青菜となった。
絶滅危惧植物の保全を考えるうえでどの地域ある
いはどの国における対象
図 2 異なる生物レベルからの傍凍（寒）性- 26 -

植物科学の新展開

積雪は脱水から給水までの空間的スケールに依布には対応するスケールはごく限られているこ

存して植物成長に寄与しているようである（佐藤,とも忘れてはいけない。たとえば本州に広く分布

2001a：佐藤, 2002：図 2）。

するリョウメンシダは北海道では明らかに多雪

積雪分布と植物の分布の対応もときどき議論地帯に対応している。しかし本州では積雪のないされるが、こうした気象的物理環境要因と植物分

南本州にも多産する。このように幾重かの環境フ

図3

リョウメンシダの分布- 27 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -et al., 2000）。個人的には局所植物多様性においては日本や東シベリアは世界有数と予想している。少なくとも北海道の日高西山麓は 4.7 平方キロメート
ルに 506 種の維管束植物が記録された（高橋・佐藤, 2001）。
信州へ赴任して 3 年後だったと思う。岩槻先生から電話があった。「信州にも高くはないが山があるね。中国雲南省の山図 4 標高別の種密度分布と積算頻度（佐藤・永山、2002; 佐藤・中西、2003 から）

岳研究として、立教大学の学術
フロンテア：環境変動に対する生命の適応戦略、が始まるので、イルターがスケールや場所によって複雑に絡み優秀な人に限って推薦しようかと・・」。いつも合って植物生活史に係わっているようである（佐の厳しく怖い会話から始まる優しい誘いであっ藤, 2001b; 2002：図 3）。こうしたスケーリングにた。
「まだ信州の山、登っていないのですが・・」

よる解析のアナロジーは人間の社会活動へも応「中部山岳を研究するにも少し大きな山を見て用できそうである（佐藤, 2003）。

おいたら・・」。慌てて 2-3 の中部山岳での局所植物多様性を測定して、翌年ヒマラヤ東麓の雲南省

シベリアからヒマラヤへの垂直分布

北西部に飛んだ。中国雲南省では約 3000 ｍ以上

シベリアのおどろくべき局所植物多様性は、単から森林がかろうじて残る。4000 ｍ付近から高純な２種の水平分布の拡大競争のための実測を山草原がはじまる。息苦しさのなかビデオ撮影にめざしたシベリア調査の目的を大きく変えた。１

よって、20-25 種/m2 の種密度を確認できた。4500

平方メートルに何と 30 種もの種子植物が確認でｍ以上での計測が待ち遠しい（佐藤・永山, 2002：

きたのである。コケ・地衣類を入れると 50 種を佐藤・中西, 2003）。中部山岳では、標高 1000 ｍ

超えた（Sato et al., 1997, 1999）。これはヨーロッ付近と 3000 ｍ近くで 30 種/m2 の種密度が確認でパアルプスでの 50 種に匹敵する。うわさによるきた。すなわち、里山と森林、森林限界と高山草とモンゴル湿原では 65 種を超えるイネ・カヤツ

原のエコトーンに相当するところに高い多種共

リグサ科を中心の高い種蜜度が見られるとも聞存域が見えそうである（図 4）。

く。自分がこれまで確認できた最大種密度は南信

熱帯に多産するシダ植物、これは正しくない。

州根羽村の 42 種（種子植物とシダ植物）である

ボルネオのキナバル山（赤道近く）では 1500 ｍ（佐藤・永山, 2002）。シダ植物に限ってみると信付近で最も多くのシダ種数が確かめられている

州北西部と信州南西部に局所植物多様性（積算種（Parris et al., 1992)。キナバル山岳を円錐に近似す数）のホットスポットがある（佐藤ら, 2000）。

ると、シダ植物種密度は 1500 m 以上ではほぼ一

ここではホットスポットと呼ばせてもらうが、定である。

地球規模での生物多様性では固有種や大型動物

マレー半島のクアラルンプール周辺でも 1000-での守られるべき地域のみが強調されており、残1700 ｍでシダ植物の高い種密度が確認された。

念ながらツンドラや東ユーラシア（日本）など全

狭い立法枠 5 ｍ × 5 ｍ × 5 ｍでの調査によると、

く無視されている（Prendergast et al., 1993; Myers- 28 -

植物科学の新展開

和歌山県や三重県で最も高いシダ植物種密度（30

うじてシダ植物は激減する。ツンドラでは 10 種

spp./(5m × 5 m × 5m)）が確認された（Sato et al.,程度であろう。熱帯低地林では隣の木々が決して

1999）。狭い範囲では熱帯（赤道近く）でのシダ同種が見られないほどに樹木の種数が豊かであ

植物の種密度が高いわけではない。むしろ暖温帯る。ところが草本植物やシダ植物は決して多くなで最も高いシダ植物の種密度が確認された（Satoい。マレーシアのクアラルンプール周辺（標高 500

et al., 2000; 佐藤, 2003b）。

ｍ以下）では北海道や信州より 1 ヘクタールあた

松本市周辺の標高に応じたオシダ植物葉の形りのシダ植物は少なく、10 種以下である。標高

態や細胞サイズを調べると、1000 ｍ付近で脈密1000 ｍ付近で 10 種を超える程度となる。1500 m

度が高く、細胞サイズは 2000 ｍのほうが大きいを超える雲霧帯で 20 種近くなる（Sato et al.,1999a;

傾向が示され、生物レベルに応じた調節が広い垂佐藤・中西, 2003）。アマゾンや北米のプレーリに直分布を可能にしていると考えられる。シダ種数は極端にシダ植物が少なく、同時に植物種密度は分布においては中部山岳では標高 1000ｍあたり低い。北米西部海岸のオリンピック半島でも 100に最大値が期待できそうである（佐藤ら, 2001,

ｍ × 100 ｍ × 100 ｍの立法枠を想定すると 5 種

2002; 中西ら, 2003）。

程度のシダしか見出されない。すなわち広い平原にはシダ多様性や高い局所植物種密度は期待できない。水分循環を促す山岳や地形の複雑性（標水平分布から何がわかるか

高差や谷密度）が局所植物多様性を支え、同時にさて、地球上を水平に見ると緯度の高まりにお図5.各地域での積算シダ植物種数（佐藤, 2003b）- 29 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -植物の遺存分布（レフージア）を宿す環境を準備のみである。タイガ疎林にはヒメドクサとコスギしているようである。日本列島ではごくまれなカランが点在する。いずれも小指にも満たない極端

ラフトメンマも北海道大雪山系と中部山岳のみな小型植物である（Sato et al., 1997;の分布が確認されている（佐藤ら, 2000）。

どほどの撹乱としたが、崩れ逝く河畔（強い撹乱）

1999ｂ）。ほの植生はタイガ疎林林床とは全く異なる

広大なヤクーツク（サハ）州における水生植物（ミクリ属）4 種の地理分布をもとに、普通種 2（Tsuyuzaki et al., 1999;

五十嵐ら, 2003）。これら種（エゾミクリとチシマミクリ）の環境傾度とのを思い起こしながら現在、植物定着の空間依存に対応を調べた結果、7 月の水温分布・水質との相関する実験的研究を、穴あきブロックを用いて開関が導かれた。これらは狭い共存域からは全く予始したところである（佐藤ら, 2003）。

想ができない情報である（Takahashi et al., 2001）。
おわりにまた本州ではどこにでもあるように見えるヤマ
イヌワラビとイヌワラビの分布についても狭い「局所植物多様性（種密度）を創出維持する環

範囲から日本列島への範囲へと拡大して出現頻境」を考えるとき、一つには植生の移行帯（エコ度の軌跡を描くと明確に両種を区別できること

トーン）を候補に挙げうる。そこにはいくつかのが示されている（福原ら, 2000）。

植物要素が混在する。水平分布北限と南限・垂直分布上限と下限にも相当する。
皮肉なことは、ちょうど半世紀の歴史を越え

今後の展望（種密度はなぜ高まるか）
どのように局所植物多様性（ここでは種密度）

た 10 年前の低温科学研究所を回想させる。まさが定まるのか？まだ素朴で未熟な問題設定でしに、この同窓会企画を構成するメンバーが集った

かないが、有限な地球における人類永続の秘訣を

当時のことである。吉田先生の研究室がまさにそ探るために、「生物多様性の創出維持のプロセスのホットスポットに相当しないだろうか？当時とメカニズム」の解明は急ぐべき課題であろう。

の吉田先生の苦悩は想像を絶するものであった

まだ空想の域ではあるが（仮説でなない：実験と思う。しかし、純粋科学に対する吉田先生の情証明ができてこそ仮説となる）以下にその成立条

熱と努力は分野を越えて伝わってきた。当時、吉件を列挙してみる。

田先生が「目的研究所には必ず寿命がある、いつ（A）埋土種子（露崎氏を参照）を含め、植物種までも同じ目的は通用しない・・」とつぶやかれの移入・遺存・種分化が近傍で起こっていること。

たことを思い出す。泥縄人生を送ってきた自分に（B）時空間スケールでの植生移行帯（エコトー

とって寂しい言葉であった。「生理・生態学の店

ン）の存在。
（C）ほどほどの撹乱による多種進入をたたむ・・」と感じたからである。さて、変わの可能性：たとえば人為撹乱（里山）と気象によりゆく研究所と激動する時代に直面しつつも吉る物理的撹乱（山岳草原）。（D）他種を排除しな

田先生はつねに「真摯に純粋科学への情熱を傾け

い生活史を営む存在（小型であり、他種への生活続けること」を後姿で教えてくれた。そうでなけ

空間の準備?）。

れば、当時の小さな研究室から、これほど繊細多これら局所植物多様性を支える要因をまとめ

彩な線香花火の輝きを放つ同窓生は育ち得ないると、（A-C）は複数の植物群要素（種子源）の存と思う。もちろん自分以外の数人はすでに大輪の在であり、（D）は証明が難しいが共存を促す生物

スターマインへの点火がなされたようであるが。

要因となる。いずれも定着の偶然を待つ時間が要

最後に白状すると、生理生化学と生態進化学分求される。シダ植物（イワウサギシダやニオイシ

野の違いを装いつつ、弟子ではないと気張ってきダ）に限るとツンドラでの生育は古い岩場・岸壁

た自分ですが、吉田先生には実に 20 年（大学院 5- 30 -

植物科学の新展開

年・助手 15 年）もの永きにわたり公私ともども

across spatial scales. Science 282: 1513-1515.

お世話になったのです。①博士 1 年で親が倒れ就Myers,N., Mittermeier,R.A., Mittermeier, C.G., da

職希望したとき研究継続を勧めてくれたこと。②Fonseca, G.A.B. & Kent, J. (2000) Biodiversity

変則助手採用に同意してくれたこと。③オースト

hotspots for conservation priorities. Nature 403:

リア留学を薦めてくれたこと。④信州大学への推853-857.

薦状を影から書いてくれたこと。これまでの研究

中西由佳・増沢武弘・福原 隆・佐藤利幸（2003）

人生の節目すべての恩師であり、現在も継続して

信州中央部の標高に応じたオシダ属の種・個いるのです。ただただ深く感謝し、この場を借り

体・葉脈・細胞密度の分布―生物レベル（種・てお礼申しあげます。

個体・細胞配列）を紡ぐスケーリング解析. 信州大学環境科学年報 25: 97-105.

謝辞

Parris, B. S., Beaman, R.S. & Beaman, J.H. (1992)

本稿を書く機会を与えて下さった、「植物科学The plants of mount Kinabalu; Fern and fern allies.

の新展開 -分子から群集まで広視野研究をめざす

Royal Botanic Garden, Kew, 165pp.

-」シンポジウム実行委員(委員長 前島正義)はじ

Prendergast, J.R., Quinn, R.M., Lowton, J.H. &め準備委員会（露崎史朗氏ら）各位に感謝いたし

Eversham, B. C. (1993) Rare species, theます。また、これまでのシダ植物の比較生活史研

coincidence of diversity hotspots and conservation

究から、寒地植物群（シベリア･ヒマラヤ）の局

strategies. Nature 365: 335-337.
佐藤利幸（2000）極東ロシアの寒地植物−永久凍所植物多様性（種密度）研究への展開のための励
ましと自由な時空間（北海道大学低温科学研究所

土と氷河地形の草花とシダ−.

「知られざる極助手時代）を与えて頂いた吉田静夫先生に深く感

東ロシアの自然」千葉県立中央博物館：特別展

謝致します。ひとつ謝らなくてはいけないことは、

示解説書 pp.140-144.

以下につづく日本語の報告書の数々、日本の重心

佐藤利幸（2001a）生命系のための雪氷環境、耐に居てアメリカ合衆国嫌い人間ゆえの意地では

寒性(Frost resistance)の再考―耐寒性・耐凍性よ

なく、まだ西欧との研究舞台に登場できていないり防凍性？いや傍凍性（傍寒性）！北方山草ことです。ただ、真の「生物多様性の法則」は東

20: 47-54.
佐藤利幸（2001b） 生態科学における耐寒冷性：

南アジアあたりから発信されることを信じつつ、生物レベルの時空間スケールでの再考. ハンド

まだこれからのつもりですが・・。

ブック生物学データ集. 朝倉書店. pp. 2486参考文献

2488.

隆・山本雅道・佐藤利幸（2000）温帯性メ

佐 藤 利 幸 (2002) 雪 は 植 物 分 布 を 決 め る か ？

シダ属 2 種（ヘビノネゴザとイヌワラビ）の頻2002 年度雪氷防災研究講演会報文集 pp.133-

度と共存率−日本列島から松本市周辺へのス

140.

福原

ケーリング解析−.

佐藤利幸（2003a） 草本植物の広がりと多様性.

信州大学環境科学年報 22:「信州大学：ところかわれば生活かわるー環境

13-23.

で違う植物のくらしー：編集：島野光司」. エ

五十嵐八枝子・岩花 剛・仙頭宣幸・露崎史朗・
佐藤利幸（2003）ロシア北東域における異なる

ルネット「オープンカレッジ」第 3 回: 1-8.

植生型から得られた表層花粉群―古植生復元

佐藤利幸（2003b）山岳･里山が創出維持する局所の基礎資料としてー. 第四紀研究 42: 413-425.

の植物多様性.「山に学ぶ山と生きる」分担執筆.
信濃毎日新聞社. pp.125-137.

Kunin, W.E. (1998) Extrapolating species abundance- 31 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -Sato, T. & Takahashi, H. (1996) A quantitative

物種密度の解析. 立教大学理学研究科学術フロ

comparison of distribution patterns in two species

ンテア「環境変動に対する生命の適応戦略」

of Gymnocarpium from local to global scaling.

2002 年度(第 2 年度)報告書. pp.133-140.
佐藤利幸・益永淳ニ・高橋昌治・常盤哲洋・清澤Acta Phytotax. Geobot. 47: 31-40.
Sato,T., Fukuda, M. & Kodama, Y. (1997) A scaling

浄(2003) 緑の歩道「ささやきの理路」をめざす

analysis of micro-spatial distribution patterns in

局所植物多様性の創出―六角柱穴あき敷石のplants of tundra and taiga regions in north-eastern開発―（実験計画報告）. 信州大学環境科学年

Eurasia.

報 25: 107-111.

Proceedings

of

5th

nternational

佐藤利幸・島野光司・中西由香・福原

Symposium of Joint Permafrost Studies between

隆・増沢Japan and Russia (eds: Inoue G. & Takenaka, A.)

武弘（2003）長野県中央山地におけるシダ植物

NIES, Tsukuba, p.67-75

種密度の標高別分布.信州大学山岳科学総合研
究所年報 1: 102-103.

Sato,T., Guan, S.L. & Furukawa, A. (1999a ） Aquantitative comparison of pteridophytes diversity

佐藤利幸・鈴木啓助・戸田任重（2004）長野県低in small scales among different climatic regions in

地におけるシダ植物の多様度-天竜川水系のシ

eastern Asia. Tropics 9: 83-90

ダ 種 密 度 分 布 特 性 -. 信 州 大 学 環 境 科 学 年 報

Sato, T., Hayasaka, Y., Sakaguchi,

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Takahashi, H., Volotovsky, K.V. & Sato, T. (2001) A

Yabuki, H. & Kodama, Y. (1999b) Vegetationin micro-scales on

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in 1999 pp. 25-32.

167.

patterns and phyto-diversity

佐藤利幸・阪口寿子・早坂祥彦（2000）隔離分布

高橋英樹・佐藤利幸（2001）北海道大学農学部附するカラフトメンマをとりまくシダフロラの属牧場の維管束植物相. 北大農・牧場研究報告

定量比較−遺存分布する寒地植物周辺のスケ

18: 33-122.

ーリング解析−.

信州大学環境科学年報 22: 1-

Tsuyuzaki, S., Ishizaki, T. & Sato, T. (1999)
Vegetation structure in gullies developed by the12.
佐藤利幸・永山葉子・福重洋平（2001）長野県に

melting of ice wedges along Kolyma river, northern

おけるシダ植物相のホットスポットについて

Siberia. Ecol. Res. 14: 385-391.

信州大学環境科学年報 23: 25-32.
佐藤利幸・永山葉子（2002）中国雲南省における里山の局所植物多様性―ツンドラ･日本温帯との比較―. 立教大学理学研究科学術フロンテア「環境変動に対する生命の適応戦略」2001 年度（第 1 年度）報告書. pp.86-96.
佐藤利幸・永山葉子・中山 明（2002）信州中央
部におけるシダ植物の多様性と共存率―地域
および地点から見た種数と頻度―. 信州大学環境科学年報 24: 99-105.
佐藤利幸・中西由香（2003）中国雲南省の局所植- 32 -

植物科学の新展開

寒さで甘くなるジャガイモたちは…
遠藤千絵(北海道農業研究センター畑作研究部)

北農研センターでは、ジャガイモの用途ごとにはじめにジャガイモは、一般にはイモが休眠期に入って多くの品種を育成している。この中には、低温貯から収穫し、休眠あけ後も低温に貯蔵することで蔵における糖の変動が特徴的なものがある。これ

強制的に休眠を延長できるため、長期にわたって

らの品種・系統を用いて糖変動を詳細に解析する貯蔵が可能な作物である。休眠中は生理的活性がことで、"Low-temperature sweetening"のメカニズ

低く作物としての品質変化も少ないと考えられムを明らかにしていきたいと考えている。本稿でがちだが、様々な環境条件に反応して変化していはこれまでに得られた知見の一部を紹介させてる。特に、低温貯蔵での還元糖の増加は、"Low-

いただく。

temperature sweetening"と呼ばれ、植物科学的にも用途別品種を用いてよく知られている現象である（Isherwood 1973,
Burton 1989, Sowokinos 1990）。一般的にも、北海

ジャガイモは用途別に、生食用（青果として流道では昔から、氷室貯蔵したジャガイモを春先に通するもの）、加工用（ポテトチップスやフライ

食べるととても甘くておいしいということを皆

ドポテトなどに加工業者によって加工されるもさんご存知で、甘さを生かした料理法などが家庭の）、でん粉原料用（でん粉精製に用いるもの、で工夫されている。しかし、食品加工の観点から

精製でん粉は片栗粉として、また練り製品や麺類、見ると、ポテトチップスなど高温の油加工の際に菓子類の原料として使用される）の３つに分類すは、増加した還元糖はメイラード反応と呼ばれるることができる。それぞれの用途で求められる品現象を通して茶褐色の色素を生成、製品に苦み・質が異なるため、用途ごとに適した品種が開発さ

焦げ色を生じさせる（Shallenberger et al. 1959）。

れている。本研究では、生食用品種として「男爵さらに最近、このメイラード反応中に発がん性がイモ」「メークイン」「キタアカリ」、加工用品種

疑われているアクリルアミドが生成されると報として「トヨシロ」「スノーデン」「ホワイトフラ

告され（Mottram et al. 2002, Stadler et al. 2002）、ジイヤー」「ホッカイコガネ」「農林一号」、新しいャガイモベースの油加工品で高濃度に検出され用途開発を目指して最近育成されたカロチノイたとの報告もなされた（Tareke et al. 2002）。このドを高含有で肉色がオレンジの「インカのめざため低温での還元糖の増加は油加工ではマイナ

め」、アントシアニン含有で肉色が紫の「インカスの要因となっている（Burton 1989, Blenkinsop etパープル」「キタムラサキ」、肉色が赤の「インカal. 2002, Chuda et al. 2003）。通常、油加工業者では、レッド」等を用いた。これらのイモを 4℃および低温貯蔵での糖の増加が低い品種を原料イモと20℃で貯蔵して糖量を経時的に解析するとともして用いて、8-12℃くらいの温度で貯蔵し、長期に、ショ糖をグルコースとフラクトースに分解す

貯蔵の場合はさらに reconditioning（16-20℃、2 週

る酵素：酸性インベルターゼについて、その活性間の昇温処理で糖を減少させる）処理を行って対および遺伝子発現を解析した。

応している（van Es & Hartmans 1987, Blenkinsop et
低温貯蔵における３つの糖変動様式

al. 2002）。

- 33 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -いずれの品種も 20℃貯蔵では糖量は少なく 1
mg/g 生重量以下で推移した。これに対し４℃貯蔵
では、糖の変動は品種により「還元糖増加型」「糖量低推移型」「ショ糖増加型」に分類できることが明らかとなった（Matsuura-Endo et al. 2004）。図１に「還元糖増加型」としてメークイン、「糖量低推移型」としてホワイトフライヤー、「ショ糖増加型」としてインカのめざめの糖変動を示す。
「還元糖増加型」では、低温貯蔵開始後、まずショ糖が顕著に増加し、貯蔵 2 週間でピークとなりその後減少した。還元糖はショ糖より 1 週ほど遅れて増加し始め、貯蔵 60 日位まで増加、その後は同様のレベルで推移した（図 1A）。これまでに調べた品種・系統のうちの大部分が「還元糖増加型」を示すことがわかってきている。これらはHammond et al. (1990)や Zrenner et al. (1996)が報告している、いわゆる「易糖化性品種：high sugaraccumulating, cold-sensitive cultivars」に属すると言える。
これに対し「糖量低推移型」では、基本的には「還元糖増加型」と類似の変動パターンを示すが、還元糖量が「還元糖増加型」の 1/4 から 1/6 程度で推移する点が異なっていた（図 1B）。ホワイト
フライヤーの父は「ND 860-2」といって、これは「 low sugar-accumulating, cold-tolerant breeding
line」としてノースダコタ州立大学で育種開発さ

図 1 成生育中および貯蔵中の糖量の変化。図中矢印において収穫、2 週間のキュアリングの後、貯蔵を開始、経時的に塊茎より糖を抽出して HPLC にて定量した。A メークイン、B ホワイトライヤー、C インカのめざめ。

れた「難糖化性」系統である（ここでいう"coldsensitive / -tolerant" の意は「低温貯蔵で還元糖が顕著に蓄積、ゆえに油加工で容易に茶褐色になってしまう/そうではない」の意であり、糖が増加す

顕著に増加し始めたショ糖は、貯蔵 2 週後も増加

る方が"sensitive"ということで、低温科学の「凍結を続け、250 日後にはショ糖量は他の 2 つのパタ耐性」と逆になっているのがおもしろい）。現在、ーンに比べ 6 倍量に達した（図 1C）。

この ND 860-2 を母本として、"cold chipping"でき「インカのめざめ」は高カロチノイド含有の２倍る新品種（つまり 8℃より低い温度で貯蔵しても体品種で（通常の栽培品種は 4 倍体）、その来歴

還元糖増加が少なく、白くきれいなチップスが揚に、アンデスの原産種 Solanum phureja と Solanum

げられる品種という意）の開発が各国で盛んに行

tuberosum subsp. andigena を持つ。高カロチノイド

われている（Richardson et al. 1990, Blenkinsop et al.

の特性は subsp. andigena に由来するが、
「ショ糖

2002）
。

が増加し続ける」というきわめてユニークな特性

一方、「ショ糖増加型」では、低温貯蔵開始後、- 34 -

については、どの来歴によってもたらされたのか、

植物科学の新展開

よって異なる場合がある（Richardson et al. 1990,

現在解析を行っている。

Zrenner et al. 1996) 。還元糖は再び細胞質に出て、フォスフォフルクキナーゼ（PFK）をへて、解糖

貯蔵中の酸性インベルターゼ活性の変化
ジャガイモの"Low-temperature sweetening"にお系に移っていくが、Hammond et al. (1990)は、品種

ける、糖代謝関連酵素の研究は数多くあるが、メによって PFK の低温感受性に違いがあるため糖カニズムについてはまだ完全に解明されてはい蓄積の程度が異なるとしている。本研究においてない。大まかには以下の様に説明されている。低は、「還元糖増加型」と「ショ糖増加型」を比べ

温貯蔵すると、塊茎細胞のアミロプラスト中の澱た場合、後者は貯蔵２週後も「ショ糖があまり分粉が分解され、これが細胞質に出て、UDP-グルコ

解されていない」とみてとれる。そこで、3 つのースピロフォスフォリラーゼとスクロースリン

変動様式を示す各品種でショ糖を還元糖に分解

酸シンターゼを介してショ糖となる（Sowokinos

する酸性インベルターゼの活性を解析してみた

1994, Hill et al. 1996）。その後ショ糖は液胞に移動、（Matsuura-Endo et al. 2004）。

酸性インベルターゼによってグルコース、フラク

図 2 に図 1 と同様、「還元糖増加型」としてメ

トースに加水分解されるが、活性の程度は品種にークイン、「糖量低推移型」としてホワイトフラ
イヤー」、「ショ糖増加型」としてインカのめざめ
における、酸性インベルターゼ活性の変動を示す。
いずれの品種も 20℃貯蔵では活性は低かった。
4℃貯蔵では、メークインでは活性が貯蔵２週に向けて急激に増加、その後高いレベルで推移した（図 2A）。一方、ホワイトフライヤー、インカのめざめでは 4℃貯蔵でも活性は低く推移した（図2B, C）。糖変動パターンからみてメークイン／イ
ンカのめざめのインベルターゼ活性の高い／低
いはうなずける結果であった。ホワイトフライヤ
ーでは、2 週以降のショ糖の減少は、酸性インベ
ルターゼ以外の酵素、スクロースシンターゼなどが関与している可能性があると推測している。またこの品種での貯蔵後期の活性増加は萌芽とパラレルであり、これらの関係についても解析する必要がある。
次に、酸性インベルターゼの遺伝子発現につい図 2 成育中および貯蔵中の酸性インベルターゼ活性の変化。図１と同様の塊茎より酵素粗抽出液を調製して酸性インベルターゼの活性を測定した。A メークイン、B ホワイトフライヤー、C インカのめざめ。

図 3 品種による酸性インベルターゼ遺伝子の発現の違い。
図１と同様の貯蔵１週目の塊茎より RNA を単離し、酸性
インベルターゼの 433 bp フラグメントを用いて RT-PCR 法
にて本酵素の遺伝子発現について解析した。

- 35 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -て RT-PCR 法を用いて解析した（図 3）。メークイ

Cold hardiness 関連のワークショップに吉田先生

ン、インカのめざめでは本酵素の活性と同様、遺とともに参加させていただいた折、先生に「最近伝子発現の有無が確認できた。が、興味深いこと

どんな研究をしているの？」と尋ねられ「ジャガに 4℃貯蔵でも活性の低かったホワイトフライヤ

イモ の 煮 くず れ の 要 因と か を 調 べて い ま す …

ーでは、本酵素の遺伝子発現はメークインと同程（Matsuura-Endo et al. 2002a, 2002b）」とお話しし度に認められた。この品種では遺伝子発現以降でたところ、先生が「そりゃあもう、（煮ちゃった

本酵素の活性が調節されていると考えられ、今後

ら）生き物じゃないじゃない」とおっしゃられ、解析していく予定である。

愕然としたことを昨日のことのように思い出す。
なんとか「生き物」としての作物の魅力を探れる
ような仕事をしよう、そう思ってきたが力不足で今後の展望
以上のように、ジャガイモの低温貯蔵におけるなかなかそうはいかない。が、ここで紹介させて糖変動は、品種により「還元糖増加型」「糖量低い た だ い た ジ ャ ガ イ モ の "Low-temperature

推移型」「ショ糖増加型」の 3 つのタイプに分類

sweetening"は、興味深いテーマであると思っていできること、これらのタイプには酸性インベルタ

る。アンデス高地原産のジャガイモはやはり他のーゼ活性が遺伝子発現のレベルで関与すること

植物と同様、凍結回避のため糖をためるのだろう。

を明らかにしてきた。また、「還元糖増加型」でしかし、「作物」としての品種改良を重ねるなか

は、貯蔵中の温度を 4℃から 20℃／20℃から 4℃

で、ポテトチップス用の品種はチップの色が悪くへとシフトすることで、還元糖量が変化、これはなるという理由で、「糖を蓄積しない」という選

酸性インベルターゼ活性の遺伝子発現を伴った抜を受けてきたのだ（「作物—品種・系統」はそ変化と一致していることもわかってきている。現

ういう意味で、現象を探る上で simplify された優在、糖変動タイプごとに酸性インベルターゼ遺伝れた系であるといえ、これらを扱えることを大事子について、ゲノミックサザン解析、遺伝子発現にしたいと思う）。インカのめざめはアンデス原をコントロールした形質転換体の作出等を試み

産の遺伝的バックグラウンドを色濃く残していて お り 、 こ れ ら を 通 し て 、 "Low-temperature

るから、還元糖でなくショ糖をためるのだとした

sweetening"のメカニズムを明らかにできたらと考ら、cryo-protectant として、ショ糖の方が有利なのえている。また、これら得られた知見を、貯蔵特だろうか…。などとつらつらと考えていると、吉性の特徴的な新品種の開発や、品種ごとの貯蔵特田研究室に入って最初に先生と行った、キクイモ

性を生かした調理加工法の開発等につなげていプロトプラストを低温顕微鏡下で凍結融解する

きたいと考えている。

実験が頭によみがえってくる。あのとき、キクイ
モ組織片では LT50 はグルコース懸濁液よりショおわりに糖懸濁液の方が低かったような…。

北海道大学低温科学研究所植物凍害科学部門

今後も、「作物」を通して「植物」の魅力を探教授・吉田静夫先生、助教授・前島正義先生の指れるような研究をできる範囲で続けていきたい

導のもとで、博士後期課程の研究をさせていただと考えている。

いた（1992 年学位取得）。植物が低温に立ち向かう機作はとても魅力的な研究テーマであると感謝辞じた。北農研畑作研究部に移り、植物を「作物」

本稿を書く機会を与えて下さった、「植物科学「食品」として研究することが増え、とまどいもの新展開 -分子から群集まで広視野研究をめざす多くなった。数年前、フィンランドで行われた-」シンポジウム実行委員（委員長 前島正義先生）- 36 -

植物科学の新展開各位に感謝いたします。現在、なんとか研究を続

activation of sucrose phosphate synthase and the

けてこられたのも、吉田静夫先生のご指導があっappearance of a new form of amylase. Plant, Cell

たからだと思っています、深く感謝いたします。

and Environment 19: 1223-1237.

本当にありがとうございました。また、ここで紹Isherwood, F.A. (1973) Starch-sugar interconversion

介させていただいた成果は当部・品質制御研究チ

in Solanum tuberosum. Phytochemistry 12: 2579-

ーム、ばれいしょ育種研究室の研究員・スタッ

2591.

フ・学生の皆さんの協力によって得られたものでMatsuura-Endo, C., Ohara-Takada, A., Yamauchi, H.,

す。この場を借りて感謝いたします。

Mori, M. & Fujikawa S. (2002a) Disintegrationdifferences in cooked potatoes from three Japanese

参考文献

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- 38 -

植物科学の新展開

酸性雨が雪になると植物はどうなるのか
荒川圭太・稲田秀俊(北海道大学大学院 農学研究科・木材生物学分野)となる環境問題であると考えられる。しかし、降はじめに私（荒川）は平成 4 年 6 月 1 日に北海道大学低

雪そのものが冬季や寒冷地域での気象現象であ

温科学研究所の旧植物凍害科学部門の助手としるため、酸性雨に比べて酸性雪の認知度や関心度て採用され、吉田先生のご指導のもとで植物の寒は低い。

冷適応機構に関する研究を肌で知る機会を得ま

しかし、酸性物質を含む雨と雪ではその違いはした。そして植物が北海道の厳寒期の積雪・風雪

大きいと我々は考えている。すなわち、雪氷は雨の中で越冬する様子を目の当たりにし、耐寒性がに比べて地表面に留まる時間が長い。そのため、植物にとって重要な形質であるという認識を強酸性雪に覆われた植物は氷点下温度と酸性物質く持ち続けて現在に至っています。

による複合的な環境ストレスを長期間にわたっ

今回の報告は、耐寒性について研究する中で、て被ることになる。また、融雪初期には積雪下で水が凍結する現象が植物の生命活動に大きな影

貯蔵エネルギーを消費して越冬してきた植物体響を及ぼすという認識から派生した新しい研究が酸性融雪水に曝される。この状態で寒暖が繰り

テーマについて取り上げます。

返されると、酸性融雪水に接触した状態で凍結融

我々が日常生活の利便性や利潤を追求するこ解される。さらに、酸性雪の場合、水が結晶化すとで文明社会が発展すると共に地球環境に絶大ることによって降雨に含まれていた酸性物質のな負荷をかけ続けている。実際、二十世紀後半は多くが凍結濃縮された状態で雪氷中に分布する

地球レベルでの環境破壊が深刻化しており、様々ことが予想される。融雪水の pH 変化を経時的にな病巣が露呈しつつある。大気汚染がそのひとつ測定した報告によると、一時的な酸性化が融雪初の例であり、我々の生産活動が重化学工業に高く期のみに限らず融雪期後期にも発生するとのこ依存し、化石燃料の消費が増加の一途をたどってとであった（Susuki 1982, 2000; Fushimi et al.,いるのがその原因となっている。そのため、硫黄2001）。このことは、酸性降下物が雪の結晶に一酸化物（SOx）や窒素酸化物（NOx）などが大気様に分布しているのではなく、表面や中心部分に中に放出され続け、公害や環境破壊を引き起こす

局所的に濃縮されていることを示唆する。積雪下に至っている。これらの大気汚染物質を取り込んで生じる雪氷の再結晶化によっても酸性降下物

だ雨は、二酸化炭素が水に溶解した際の pH 5.6 よが濃縮される可能性も十分に考えられる。したがりも酸性化する。このような雨は酸性雨と呼ばれ、って、酸性雪は酸性降下物の存在様式や挙動が酸降雨に混じる酸性物質（硫酸、硝酸など）によっ

性雨の場合とは大きく異なるため、雪解け後の植て、建造物などの住環境や植生・農作物の生産性

物の生育に少なからぬ影響を及ぼす環境要因になどに少なからぬ影響を及ぼすことが懸念され、なりうると考えた。しかし、酸性雪による植物の

地球規模の環境問題である（片岡、竹内, 1998）。

影響やその応答性について詳しく検証した例は見ない。

大気汚染物質を含む降下物は雨に限ったものではない。雪もまた然りである。酸性物質を含んそこで本研究では、酸性雪によるストレスを実だ雪は酸性雨と同様に定義され、大気汚染が原因

験室レベルでシミュレーションし、酸性雪による- 39 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -た。

越冬性植物の傷害発生機構を解析して酸性雪耐

通常の耐凍性試験では、試料の生存率の測定に性賦与を目指す。

簡便な電解漏出法を採用するところだが、硫酸存
酸性雪ストレスによる植物組織への影響を評価

在下では細胞の粗抽出液濃度に比例した電気伝する方法について導度値を表わすキャリブレーションカーブが描

実験材料には越冬性作物である秋播き小麦（冬けなかった。しかし、ニンヒドリン反応によるア

小麦）であるチホクコムギ（Triticum aestivum L. cv.

ミノ酸漏出量の測定では、硫酸存在下でも粗抽出

Chihokukomugi）を用いた。播種後約 12 日目の実液の濃度にほぼ比例してキャリブレーションカ

生を明期 4℃、暗期 2℃の 12 時間周期の条件で 4ーブが描けたため、いずれの耐凍性試験でも試料

週間低温馴化したものを実験に供試した。

の生存率をアミノ酸漏出法で見積もることにした。

酸性雪ストレスを簡便にシミュレーションして植物への影響を評価するために耐凍性試験を

また、酸性条件下の過冷却実験では、植氷しな

応用することにした。厳密には酸性雪で処理する

いこと以外は基本的に平衡凍結法や長期凍結法

ものではないが、積雪下で植物が酸性物質を含むと同様におこなった。つまり本実験では、植氷せ

雪や氷の結晶に曝されることを考慮すると、緑葉ずに冷却し、外液が凍結しなかった試料のみを用に接している酸性溶液を凍らせるという酸性凍

いて生存率を測定した。
以上の方法を用いて、冬小麦緑葉における酸性結様式でも同様の凍結ストレスを模すことがで

雪ストレス（厳密にいえば酸性凍結ストレス）にきると考えた（Inada and Arakawa 2004）。
低温馴化した小麦緑葉を約５mm 幅に切片化しよる影響について簡便にシミュレーションできたものを、試験管 1 本あたり 50 ± 2 mg FW で分配るものと考えた。なお、凍結処理条件の植物試料した。通常の耐凍性試験では、植物試料に純水をへの影響を比較・評価するための指標として、凍添加してから植氷をおこなうが、本実験では純水

結温度に対する生存率を用いたほか、ある温度の代わりに目的の pH に設定した硫酸溶液を添加（x℃）で凍結融解処理した場合の生存率を表わしてから植氷することにした。そこで純水またはす SRx 値を用いることにした。

硫酸溶液 0.3 ml を試験管に分注し、これを液相式のプログラムフリーザにセットして、植氷した後に緩速冷却による平衡凍結をおこなった。
この他に、平衡凍結法による耐凍性試験だけでなく、一定の凍結温度を保ちながら試料を凍結処理する長期凍結法もおこなった。
この試験では、目的の凍結温度に冷却するまでは平衡凍結法と同様におこない、その後凍結温度を一定に保ちながら目的の処理期間まで凍結を継続した。
いずれの耐凍性試験でも、試料は 4℃の遮光条件下にて融解し

図 1 酸性凍結ストレスによる冬小麦緑葉への影響。酸性雪ストレスのシミュレーション実験として、植氷前に pH2-4 に調整した硫酸溶液を試料に添加して平衡凍結試験をおこなった。融解後の生存率を SR-8 値について求め、酸性条件下での凍結ストレスによる影響を調べた。

- 40 -

植物科学の新展開

対して純水での対照区の場合、凍結前は約 pH 5.6 であるが、融解後は pH 6 弱、アミノ酸漏出処
理の後では pH 6.5 付近であった。
そこで、硫酸を添加する時期だけを凍結融解後にずらすことによって、本実験系のアミノ酸漏
出過程で共存する硫酸の影響について検証した（図 2）。
純水にて凍結融解した後に硫酸を添加してアミノ酸漏出量を
図 2 凍結融解後の pH 低下が冬小麦緑葉に及ぼす影響。酸性条件下での平衡凍結試験において、硫酸による pH 低下が凍結融解後の冬小麦緑葉試料の生存率に及ぼす影響を調べるため、アミノ酸漏出処理の直前に pH 2 の硫酸溶液を添加した処理区（融解後）を設け、通常の酸性凍結処理区（植氷前）のものと SR-8 値を比較した。なお、対照区（水）には純水にて凍結融解処理したものを示した。

測定すると、硫酸未添加のものとほぼ同様の SR-8 値を示した。
このことから、凍結融解した後では、硫酸の存在は試料の生存率に大きな影響を与えないもの

冬小麦に対する酸性凍結ストレス処理の影響にと考えられた。

ついて

これらのことから、平衡凍結法による酸性凍結

酸性条件下での平衡凍結による冬小麦への影響

試験では、凍結融解する過程で硫酸（pH 2）が共

冬小麦緑葉を用いて、酸性条件下で平衡凍結法

存すると冬小麦緑葉の傷害発生が助長されるこによる耐凍性試験をおこない、純水を用いた通常とが明らかになった。

条件での耐凍性試験（対照区）の結果と比較した。

次に、平衡凍結法による酸性凍結試験においてpH 3 と pH 4 に調整した硫酸溶液を用いた場合

温度条件の影響を調べるため、酸性条件下での過では、純水による対照区の結果とほぼ同様の LT50

冷却実験をおこない、酸性凍結実験での結果と比値（約-11℃）であったのに対して、pH 2 の条件較した。酸性条件下での過冷却実験では植氷をおでは-7.6℃であった。また、SR-8 値を比較すると、こなわないため、植物試料は細胞外凍結せずに温pH 3 と pH 4 の条件では 81％と 78％で、対照区度低下に曝される。そのため酸性条件下での温度（82％）とほぼ同様の結果であった。一方、pH 2低下による影響を生存率測定によって評価したの場合では SR-8 値は 45％で、対照区と比べて 30％

ところ、過冷却状態を保っていた試料では、硫酸以上も低下していた（図 1）。このことから、冬小添加の有無にかかわらず、処理温度が低下しても麦緑葉を pH 2 の硫酸共存下で平衡凍結すると融生存率は高く維持されていた。純水での過冷却処解後の生存率は著しく低下することが明らかに理では SR-8 値は 90％を超え、酸性過冷却処理でもなった。

同値は 85％にも及んでいた。一方、平衡凍結した

本実験系では、植氷前に添加した硫酸溶液（pH場合、前述したように酸性条件では生存率は著し

2）に傷害を受けた細胞から漏出する内容物が混く低下し、対照区の SR-8 値は 80％以上であったの入するなどして、試験管内の水溶液の pH は徐々に対して酸性凍結実験では 50％以下であった。

に上昇した。例えば、pH 2 の硫酸溶液を用いた酸以上のことから、平衡凍結法による酸性凍結試

性凍結試験の場合、凍結前は pH 2 であるが、融験において植物試料の生存率低下を引き起こす

解後は細胞内物質の漏出により pH 4 弱、アミノ

要因は、硫酸共存下で処理温度が低下することよ

酸漏出処理の後では pH 5 付近であった。それに- 41 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -りも、むしろ硫酸共存下で凍結融解することにあると考えられる。しかし、pH 3 以上の硫酸溶液が存在するときは平衡凍結法
によって凍結融解しても冬小麦にはほとんど影響がなかったことから、平衡凍結という比較的短時間の凍結処理方法では酸性降下物の濃度がある程度高くな
ければ冬小麦緑葉では傷害発生に至らないことが考えられた。
もちろん、人工酸性雨処理に対する感受性が植物種によって異なるのと同様に（Fowler et al.,

図 3 酸性条件下での長期凍結が冬小麦緑葉に及ぼす影響。
硫酸溶液（pH 2）を植物試料に添加して、-4℃にて長期凍結試験をおこなった。処理後 7 日目と 28 日目の試料について融解後の生存率（SR-4 値）を測定し、酸性条件下での凍結ストレスによる影響を調べた。

1989; Reinikainen et al., 1989;
Bäck et al., 1993; Shan et al., 1995; Velikova et al.,-4℃での長期凍結処理の場合、硫酸共存の有無

1997, 2000; Asai et al., 1998, 2001; Stoyanova, 1998;にかかわらず、処理日数が長くなるほど冬小麦緑

Stoyanova et al., 1998; Gadallah, 2000; Yu et al.,

葉の生存率は低下していた。pH 3 や pH 4 で硫酸

2002; Gabara et al., 2003）、酸性凍結ストレスに対が共存する場合、いずれも対照区に比べてわずかする感受性も種によって異なる可能性が高く、冬ながらに生存率の低下が促進される傾向にあっ小麦の本品種だけを例にとって酸性凍結ストレたが、両者の間には差異は見られなかった（デース過程での pH 感受性を論ずることはできない。

タ未掲載）。pH 2 の条件では、pH 3 や pH 4 の条件

そのため、様々植物品種についても同様な酸性凍に比べて生存率の低下が助長され、処理後 7 日目

結試験をおこなって、酸性雪ストレス感受性を評の SR-4 値は対照区よりも 30％近く低下し、28 日

価することが必要であろう。

目の SR-4 値は 50％近くも低下していた（図 3）。
一方、植氷しないこと以外は同じ条件にて長期的に過冷却を継続した場合、pH 2 の酸性条件でも酸性条件下での長期凍結による冬小麦への影響
平衡凍結法による評価に続き、長期凍結法でも生存率の低下はほとんどみられず、対照区と共に酸性凍結ストレスの影響について調べた。この長生存率は 90％以上の値を維持していた（データ未期凍結法では、積雪中で越冬する場合のように、

掲載）。

氷点下温度のみならず凍結脱水にて細胞内外でこれらの結果から、長期的に酸性凍結ストレス

濃縮された溶質に長期間曝されることによる影が続くと、pH 2 のみならず、平衡凍結法では大し響を調べることが目的である。シロイヌナズナをた影響を与えなかった pH 3 や pH 4 の条件でも、純水にて長期凍結した場合、平衡凍結とは異なる

氷点下温度に加えて緑葉組織が凍結濃縮された様式にて細胞膜の微細構造変化が発生すること

酸性物質に曝され続けることにより傷害発生がも知られている（Nagao et al., 2004）。そこで、pH助長される可能性が示唆された。

2 の酸性条件下での凍結処理が冬小麦緑葉に及ぼす影響について、-4℃にて 7 日間ならびに 28 日間

冬小麦実生に対する酸性凍結ストレスの影響にの長期凍結処理をおこなって検証した（図 3）。

ついて- 42 -

植物科学の新展開

次に、冬小麦の実生を用いて酸性雪ストレスの知られているため、酸性条件下で凍結融解した実シミュレーション実験を試みた。今回は、酸性凍

生は再生長の過程で対照区の実生よりも傷害に結試験後に実生を再生長させ、実生における傷害

よる影響が大きくなったものと予想される。この発生の違いを観察することにした（図 4）。なお、ことは緑葉組織の一部だけを硫酸溶液に接触さ本実験系では融けた硫酸溶液が土壌中の根系にせて凍結融解すると、処理部位のみに強く傷害が与える影響を避けて評価するために、便宜的に地発生したことからもうかがえる。酸性凍結ストレ

上部だけまたは緑葉の一部だけを酸性条件下でスに光照射条件が加わることによってさらなる凍結融解処理するように留意した。

活性酸素ラジカルの発生を誘発し、傷害発生頻度の上昇を導くのかも知れない。

その結果、緑葉組織の一部だけ酸性条件におい考察
本研究では、大気中の酸性降下物を含む降雪・積雪が冬作物に及ぼす影響について試験的に調べるため、酸性雪によって発生するストレスを耐凍性試験を応用することで簡便にシミュレーシ
ョンして植物組織に与える影響について評価した。前述したように、降雪・積雪中の酸性降下物の存在様式は酸性雨の場合と異なり、局所的に濃縮されている可能性が高い。このような酸性物質を含む積雪に曝される越冬性植物への影響を評価するために、温度低下に平衡した凍結脱水ストレスを受ける過程と、ある温度での凍結脱水スト
レスが長期的に継続される過程の二種類につい図 4 酸性凍結処理した冬小麦実生の再生長過程における生育への影響。
A . 硫酸溶液（pH 2）を染み込ませた濾紙で小麦緑葉の一部を挟んでから、鉢植えごと長期凍結試験をおこなった。実生を-4℃にて 3 日間処理した後、融解してから常温下で再生長させた。B. 硫酸溶液（pH 2）で作成した氷で実生の地上部を覆い、鉢植えごと酸性凍結試験をおこなった。この実生を-4℃にて 3 日間処理した後、融解してから常温下で再生長させた。いずれも対照区（水）として純水を用いて同様に処理したものを示した。

て、それぞれ平衡凍結法と長期凍結法を応用した。
このような試みに関する報告は前例がなく、酸性物質を含む雪氷による環境ストレスの植物への影響を示唆する研究例として位置づけられるであろう。
酸性凍結ストレスによる植物細胞の傷害発生のメカニズムの詳細については未だわかっていない。冬小麦のような草本植物では、通常、凍結て凍結融解処理した場合、処理した部位でのみ著温度に対して細胞外凍結にて応答する（Levitt,

しく傷害が発生していた（図 4A）。また、酸性凍1980; 酒井, 1982; 吉田, 1999）。このような植物細結ストレス処理した実生の地上部では傷害が著

胞が過度の凍結温度に曝されると、凍結過程にてしく発生して枯死した葉も多く見られ、対照区に細胞膜などの不可逆的な微細構造変化が発生す比べて生育量も低下していた（図 4B）。

る （ Fujikawa and Steponkus, 1990, Uemura andこのような冬小麦実生を用いた実験系では、緑Steponkus, 1999）。このことが凍結傷害を引き起こ

葉組織を用いた実験系とは異なり、凍結融解後のす主要因と考えられている。酸性凍結処理では、実生を光照射下で常温にて再生長させている。光

硫酸共存下で細胞外凍結することで凍結傷害の照射は凍結融解後の傷害発生を助長することが- 43 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -めに役立つものと期待している。

発生が助長されることから、凍結濃縮された酸性物質が植物細胞の凍結または融解過程で細胞膜

謝辞などの微細構造変化を促進するか、もしくはこのような凍結傷害とは全く別のメカニズムでもっ吉田静夫先生は、北海道大学低温科学研究所にて氷点下温度にて酸性物質の凍結濃縮が進むにて植物の寒冷適応機構という魅力ある研究に従

つれて細胞にダメージを与える可能性などが考事する機会を与えて頂いたばかりか、長年にわたえられる。現在、酸性条件下での凍結過程におけって懇切なるご指導いただきました。この場を借る細胞膜の微細構造変化の様式をフリーズフラ

りて厚くお礼申し上げます。そして、現在もこの

クチャー電子顕微鏡法にて観察し、細胞膜の傷害研究分野に携わっていられるのは、吉田静夫先生

発生様式の特徴付けを試みている。

をはじめ、前島正義先生、佐藤利幸先生、藤川清

冬小麦緑葉組織を用いた酸性凍結試験によっ三先生他多くの方々に万事にわたってご指導ごて、酸性雪の降雪・積雪が越冬性植物にとって環鞭撻いただいたおかげです。深く感謝申し上げま

境ストレスになりうることが明らかになった。たす。

だし、酸性雪ストレスに対する感受性を迅速かつまた、吉田先生の門下生や関係者の方々が一同簡便に評価するために、一連の酸性凍結試験ではに会するシンポジウム「植物科学の新展開 -分子

pH 2 という酸性条件に設定しておこなった。今のから群集まで広視野研究をめざす-」に参加するこ

ところ、このような低 pH の酸性雪は野外観測のとができ、大変嬉しく思います。

記録には見当たらない。
しかし、
pH 4 条件下で-4℃での長期凍結処理が 1 週間以上続くと傷害発生が参考文献

助長されはじめることを考慮すると（データ未掲

Asai, E., Hata, K. and Futai, K. (1998) Effect of載）、寒さの厳しい地域や降雪地域において、通simulated

常に観測される程度の酸性度（pH 4-5）の雪氷がLophodermium on Japanese black pine needles.

長期間にわたって植物と接触することで融雪後Mycological Reseach 102: 1316-1318.

acid

rain

on

the

occurrenceofの植物の生産性に影響を及ぼすことも十分に考Asai, E. and Futai, K. (2001) The effects of long-term

えられる。植物は越冬中に備蓄していたエネルギ

exposure to simulated acid rain on the development

ーを消費するために融雪後の植物では地上部のof pine wilt disease caused by Bursapbelencbus

消耗が激しい。そのため、積雪中に共存する酸性

xylopbilus. Forest Pathology 31: 241-253.

物質の影響について越冬後の植物の外観だけか

Bäck, J., Huttunen, S. and Kristen, U. (1993)

ら判断することは難しい。しかし、本研究の結果

Carbohydrate distribution and cellular injuries inをふまえて考えると、降雪・積雪・融雪という一acid rain and cold-treated spruce needles. Trees 8:

連の自然現象の過程において、酸性物質を含む雪75-84.

氷は着実に越冬する植物を蝕むに違いないであFowler, D. Cape, J. N., Deans, J. D., Leith, I. D.,ろう。

Murray, M. B., Smith, R. I., Sheppard, L. J. and

大気汚染物質の排出が今後も続くなかで、植物

Unsworth, M. H. (1989) Effects of acid rain on theの酸性雪ストレスによる傷害発生機構の解明や

frost hardiness of red spruce seedlings. New

それに対する耐性賦与の試みを今後も継続して

Phytologist 113: 321-335.

おこなうことは、将来的に、大気汚染物質による

Fujikawa, S. and Steponkus, P. L. (1990) Freeze-

環境ストレスからのダメージを軽減する方策を

induced alterations in the ultrastructure of the

見いだしたり、植物生産性の維持や植生回復のた

plasma membrane of rye protoplasts isolated from- 44 -

植物科学の新展開

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- 分子から群集まで広視野研究をめざす -現場の研究者が楽しく有意義な研究を展開できるよう、ご指導をお願いします田村 晃（秋田県農業試験場

野菜・花卉部）の大部分は、冬期には雪に埋もれ遊休化している。

はじめに10 月の稲刈りを終えると、秋田の農業の一年は周年農業生産体系の確立は、北国に位置する農業

おおかた終了する。11 月に初雪が降り、12 月か

試験場の重要なテーマの一つである。冬期に遊休

ら 2 月中旬までほとんど晴れることがなく、地域化しているハウスを有効利用し、低コストな葉菜

全体が真っ白になり、雪に閉ざされる。

類栽培技術が確立されるならば、周年農業生産体
系の一翼を担いうる有力な手段となる。

秋田は夏期には稲、野菜、花き、果樹など、農家にとって作物の選択肢は豊富にあるが、冬期はそこで、1991 年から冬期のナバナ（アブラナ科

非常に少ない。このため、冬期間に農家は出稼ぎ

作物で、抽だいした若茎・葉を食する葉茎菜類をや在宅他産業就労などを余儀なくされる。

総称してナバナと呼んでいる）栽培の試験に取り

近年、秋田ではパイプハウスを主体にして施設組んだ。当時、私は植物・作物の凍結に関する知栽培が普及しつつある。しかし、これらのハウス

識が全くなかった。1991 年 12 月に寒波が襲来し、

写真 1

Ａ

Ｂ

Ｃ

Ｄ

ナバナの凍結Ａ： ナバナが凍結している様子。Ｂ： 細胞外で形成された氷が表皮を切り裂き、滝のように析出する時もある。
Ｃ： まれに氷の芸術がみられる時もある。Ｄ： ナバナの若茎が凍裂すると、商品にならなくなる。

- 46 -

植物科学の新展開

00

Ｋｏｍａｔｓｕｎａ-5

Ｔ ＥＬ１５ （℃）

Ｔ ＥＬ１５ （℃）

Ｓｐｉｎａｃｈ

-10

-5
-10
-15

-15

-20

-20
22Sep

22Oct

21Nov

21Dec

20Jan

19Feb

21Mar

22Sep

20Apr

22Oct

21Nov

21Dec

20Jan

19Feb

21Mar

20Apr

図 1 ホウレンソウとコマツナの耐凍性の季節的な変化｡供試品種はホウレンソウでソロモン、コマツナでせいせん 7号とした。耐凍性は葉身組織が凍結傷害を受け、組織内の 15％の電解質漏出が引き起こされる温度（田村，2000）で表示した。図中の印は △，1996/97 年； ○，1997/98 年； □，1998/99 年。

ナバナが凍結した。早朝出勤し、ナバナが凍結しある。当時、農家にはホウレンソウやコマツナがて、カチンカチンになっているのをみて、「試験凍結すると、傷害を受けたり致死するのではないが終わったな」と思った。

かとの不安があった。そこで、両作物がどの程度

しかし、日中暖気になると融解し、回復した。

の低温に耐えられるのかを明らかにするため、農ビックリし、まず、北海道農試に電話し、植物の試ハウス圃場（秋田市）における両作物の耐凍性

凍結について問い合わせたところ、「こちらではの季節的な変化を調査した。その結果を図 1 に示わからない」とのことであった。そこで、北大のす（田村，2002）。秋田市は県内でも比較的温暖

農学部へ問い合わせた。返答は同じであった。そで、厳寒期の最低気温は-6〜-8℃であるが、両作

こでさらに、理学部の植物専攻に問い合わせた。

物の耐凍性は-10℃以下にまで増大した。1998〜

そうしたら、「こちらではやっていないが、低温

2000 年にかけて、県内においては最も気温が低下

研の吉田静夫先生に問い合わせてみたらどうか」する鹿角市（秋田県北部）で現地試験を行った。

という返答を頂いた。そこで、吉田先生に電話し、現地試験期間中のハウス内最低気温の極値は-お話を伺った。これが、吉田先生との初めての出

17℃であったが、両作物に凍結傷害はみられなか会いである。そして吉田先生のご好意により、った。このことから、両作物は秋田の冬を十分に1994 年 5 月〜10 月にかけての 6 ヶ月間、低温研

乗り切ることができることが明らかになった。

で研修させて頂いた。この期間中は雑務が一切な

秋田で冬期の葉菜類栽培を行う場合には、厳し

く実験三昧で、楽しく有意義な時を過ごすことがい寒さの中での収穫や除雪作業が伴う。従って、できた。指導して頂いた吉田先生、佐藤利幸先生、

農家の冬期葉菜類栽培に取り組む気持ちを喚起

荒川圭太先生をはじめ、院生の皆さんに大変感謝するためには、栽培が可能なことを示すだけではしております。

必ずしも十分ではなく、さらに、冬期の低温条件
が葉菜類の品質を高めるための利点であること

ホウレンソウ、コマツナの冬期栽培に関する試験を示す必要がある。そのため、低温処理が両作物

吉田先生の研究室での研修を終え、秋田農試にの糖とビタミン C 含量に及ぼす影響を調べた（田帰り、1995 年からホウレンソウとコマツナの冬期

村，1999）。実験は両作物を 12〜15℃の暖かい条

無加温ハウス栽培の試験に取り組んだ。

件で育て、収穫期に達してから 2〜4℃の低温条件

農家のホウレンソウ、コマツナの冬期栽培に取に移して実施した。その結果、低温に遭遇させる

り組む気持ちを喚起するためには、まず最初に、と両作物の糖とビタミン C 含量が急激に上昇する

農家の冬期栽培に対する不安を取り除く必要がことが明らかになった(データ略)。次に、その程- 47 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -200

6Sugar content(g/100gFW)

4

y=0.34x;+3.27

3

R =0.686

Vitamin C content(mg/100gFW)

Sugar

5

２

2
1
0

y=9.18x+150.6
２

Ｒ =0.661

100
50
0

-5

図2

Vitamin C
150

0

5

10
15
20
25
30
Mean air tenperatureduring 10 days befor the harvest (℃)

35

-5

0

5

10
15
20
25
30
Mean air temperatureduring 10 days before the harvest (℃)

35

収穫前 10 日間の平均気温とホウレンソウ葉身の糖およびビタミン C 含量との関係度の低温に、どの程度の期間遭遇すると、どの程増えて美味しく、ビタミンが豊富で栄養価の高い

度に糖、ビタミン C 含量が増加するのかを調査しホウレンソウ、コマツナを生産する栽培方法が確た（田村，2004）。その結果を図 2 に示す。

立されたと考えている。現在、地産地消の運動と調査の結果、
収穫穫前 10 日間の平均気温が 10℃

相まって、このような栽培が県内で普及しつつあ

以下になるとホウレンソウやコマツナの糖およる。この冬期の低温を活かした葉菜類栽培が農家

びビタミン C 含量が増加し、収穫前 10 日間の平の冬期間の農業所得向上に寄与することを期待

均気温が 0℃程度になると、糖およびビタミン Cしている。

含量が著しく高まることが示された。このことか
大学での基礎研究と現場での応用研究

ら、糖とビタミン C 含量が豊富なホウレンソウとコマツナを生産するためには、ハウス内の気温を農業試験場の主要な顧客は農家、農業生産法人

秋田の外気温並に低下させる必要があると考えなど、農産物を生産する人々である。これらのられた。

人々の周辺には農業団体、市町村、農業資材等のそこで、ハウスのサイドを開放し、冷たい外気販売業者など、様々な人々、団体が存在する。しをハウス内に導入する方法を採用した。ただし、たがって、私の顧客は簡単にいうと、生産者とそハウス内に強風が入り込んで作物が傷むのを防の周囲の関係者である。これらの人々に、有意義止するため、サイドに防風ネットを張った。

な情報や手段を提供することが私の目標になる。
しかし、簡単にはこの目標は達成できない。

秋田を含めた北東北地域で消費される葉菜類のほとんどは関東地方以南から移入されている。

先に記述したホウレンソウとコマツナの冬期

しかし、北東北地域の冬期の低温を活かし、糖が栽培の仕事は、吉田先生や岩手大学の上村松生先生、東北農業研究センターの方々ご指導とご協力
によって達成することができたのであり、地方農試でひとりコツコツと実施しているだけでは決して達成できなかった。
農業試験場の目標は、生産者やその周囲の人々に有意義な情報や手段を提供することである。農業を担う若い農家は高学歴者が多くなってきており、また、農家や生産組織の栽培レベル、知識は以前に比べ、格段に向上している。そのため、

写真 2 ハウスのサイドに防風ネットを張り、開放している様子

単に「こうすれば良い」という手段・結果を生産- 48 -

植物科学の新展開者に提供すれば事足りる、という時代は終わり、

お願い申し上げます。吉田先生のもとに集う各方「なぜこうすれば良いのか」を順序だてて、整理面の研究者の皆さん、是非、現場で楽しい仕事がして提供することが必要となっている。そのためできるよう、今後ともご指導頂きたいので、よろには、詳細な現象把握（理学）と現象の克服方法

しくお願い致します。秋田から皆さんの楽しい集（農学）の双方を明確に示す必要がある。

いの大成功をお祈りしております。秋田の近くにお越しの際は、是非ご一報ください。首を長くし現場の技術者がひとりで詳細な現象把握とそてお待ちしております。

の克服方法を成し遂げるには非常な労力と時間を要するのみでなく、その組織の存立基盤上、困難である。そこで、大学と役割分担をしながら仕参考文献事を進めたいと思うのである。また、異なる環境

田村晃. (1999) 寡日射条件下における低温処理がにいる研究者と話し合いながら、仕事を進めるの

コマツナの糖およびアスコルビン酸含有率には異なった角度からの考え方が吸収でき、楽しく

及ぼす影響. 園芸学会雑誌 68: 409-413なる。実際、これまでも、吉田先生、上村先生、

田村晃. (2000) コマツナとホウレンソウの個体レ

佐藤先生、前島先生などから大きなエネルギーをベルでの耐凍性の評価. 園芸学会雑誌 69: 332-

頂き、また、上村先生からは言葉に尽くせないご338

厚誼を頂いている。私は、是非、自分と異なる環

田村晃. (2002) 無加温パイプハウス栽培における境にいる方々との連携を大切にしながらしながホウレンソウとコマツナの秋から早春にかけら、楽しく有意義な仕事をしたいと思っている。

ての耐凍性の変化. 園芸学会雑誌 71: 74-81
田村晃. (2004) 栽培期間中の気温がホウレンソウ
およびコマツナの糖とビタミン C 含量に及ぼおわりにす影響. 園芸学研究 3: 187-190

私は今後、雪中キャベツ栽培の構想を持っている。といっても、雪の中でスクスクと生長させようというのでなはく、秋に定植し、初冬までにキャベツを結球させて、商品としてほぼ完成させ、雪の中から出荷しようというのである。それならば簡単ではないかと考える人もいるかもしれな
いが、そうではない。雪の中では氷核活性細菌（以後、細菌）がキャベツに悪さをする。この細菌は「なぜ 0℃で繁殖でき、また、細菌がどのようにしてキャベツに侵入するのか」を明確に理解しな
いと、雪中キャベツの栽培技術は確立できない。
他にも様々な課題を抱えている。細菌に簡単に侵されるものと著しく強いキャベツ品種の双方があり、非常におもしろい研究材料は揃っています。
興味を持たれる方は、ご一報下さい。
今回、このシンポジウムに日程を会わせることができず、出席できないことが非常に残念です。
吉田先生からは今後とも長くご指導とお励ましを頂きたいので、くれぐれもご自愛下さるよう、- 49 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -吉田先生の背中大平 万里(秋田経済法科大学附属高等学校)

低温研の創設者であり、生涯一研究者であり続多々あるに違いない。むしろ吉田先生の構想からけた中谷宇吉郎は随筆の名手としても知られてすれば、やり残した事の方が多いのかもしれない。

いる。彼の作品に「立春の卵」という有名な一遍

しかし時間の許す限り、できることはまずやってがある。立春に卵が立つという報道に端を発し、みるという超人的な行動力は衰える様子がなか

立春でなくても卵は立ち、なぜ立つのかも検討しった。ある時、核膜の純粋な単離に苦労していた

つつ、科学の精神をさりげなく綴った名随筆であ

私は、「どうもうまくいかなくて困っています」

る。この「立春の卵」には、科学の営みを続けてと実験中の吉田先生に愚痴をこぼしてしまった。

ゆくうえで三つの大切な事柄が書かれてあるとすると、「よし！一緒にやってみよう！」と自身私は思っている。その三つとは「思い至る事」「やの実験を中断されて、半日あまり私の実験のためってみる事」「がんばる事」である。

に苦心してくださった。研究の事となると、瞬時「卵はいつでも立つに違いない」と思い至らなに一生懸命になり熱中してしまうその姿は、吉田

いと何も始まらない。当然、思っているだけでは先生と共に過ごしたことのある人なら、容易に想駄目で、実際にやってみないとただの妄想である。

像がつくであろう。

しかし、やった事のある人ならわかると思うが、「思い至る事」「やってみる事」。この二つを備

卵を立てるのは案外と難しい。ちょっとしたコツ

えている研究者は、それなりにいるに違いない。

と根気が必要である。それなりにがんばらないとしかし、「がんばる事」を徹底的に続けてゆける

目的は達成されず、妄想は妄想のまま、それまで研究者がどれくらい存在するのか私にはわからの常識は変わらない。吉田先生の事を思い返す時、ない。ただ、吉田先生がとことん「がんばる事」

この随筆の事がいつも頭に浮かぶ。

を続けている研究者であるという事に異論のある人はまずいないだろう。

初めて吉田先生とお会いした時、斬新なアイデ
アや壮大な仮説を惜しげもなく新参者の私に数ある時、とあるコンタミの問題に悩んでいた私

時間にわたって懇切丁寧に説明してくださった。

は、コーヒータイムに「どうやったら解決します

その量と質に圧倒され、しばらく私は知恵熱状態

かね」と何気なく吉田先生に尋ねた。すると吉田となってしまった。どこからあの豊かな発想が生先生は「解決策はね…」とおもむろに話し始め、まれてくるのか、私などが理解できる訳もないが、「解決するまで続けることだよ。」と極めて真剣

ともあれ、「思い至る事」は単なる「思いつき」

な笑顔で答えてくださった。そのときは、それなの蓄積ではなく、一つの「確固たる思想」なのだ

りにがっくりきたような気もするが、結局のとこ

ろうなと初対面で痛感したのである。

ろ吉田先生はその精神で数々の難問を解決して研究者の多くは、数あるアイデアのうち「攻略いったのだろうなと思うのである。また、初めてできそうな事」を優先的に精選するものである。

低温研の超遠心機を見たとき、積算回転数が数桁

そして、効率的に研究が進むように日々腐心する

違うことに驚いた。実際、超遠心機のメインテナのが一般的であろう。しかし、吉田先生は、とにンスの人が「この遠心機はもう想定積算回転数をかくすべて「やってみる」のである。少なくともとっくにオーバーしてるんですけどねえ。こんな私にはそう見えた。もちろん、やり残した事は遠心機、他にないですよ。」とため息をついてい- 50 -

植物科学の新展開た。もちろん、ほとんど吉田先生が回し続けたのである。
今回のシンポジウムに参加される方々ならば、夜遅くまで夢中になって実験を続ける吉田先生の背中をいつも見ていただろうと思う。その背中は、植物の低温科学そのものと言ってもいい。その背中から様々な枝が伸び、今回のシンポジウムに結実している訳である。そしてまた、吉田先生
自身が中谷宇吉郎の精神を受け継いでいる一人と私は思う。ふと、科学の営みのための事柄として「受け継ぐ事」をつけ加えてもいいかもしれな
いと、吉田先生からほとんど何も受け継げなかった私がしみじみ思う今日この頃である。
最後に、遠方より今回のシンポジウムの晴れやかな成功を切に願っています。

- 51 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -個体としての単純さ・群集としての複雑さ
陶山（産業技術総合研究所

哲志
生物機能工学研究部門）

低温研時代からこれまでんだものとは全然違った実験手法を学んで仕事

私が理学研究科植物学専攻の修士課程の学生とをするようになりました。単純に言ってしまえばして北海道大学低温科学研究所・植物凍害科学部

微生物生態学なのですが、環境中から特定の形質門に在籍したのは 1991 年の 4 月から 1993 年の 3を持つ新規バクテリアを分離・培養・そして同定月まで。当時の教官は吉田先生が教授、前島先生

するのにリボゾーム RNA 遺伝子の分子系統解析が助教授、佐藤先生が助手という構成で、途中かを利用したり、環境中微生物の群集構造の消長をら荒川先生が加わりました。この講座に進学を決

特定の遺伝子マーカーを用いて検討したり、さらめたのは単純に学部時代の指導教官（国際基督教に特殊な形質を示すバクテリアに関して遺伝子

大学教養学部理学科・風間晴子教授）に勧められのクローニングや転写量を検討するような実験、た研究室２つを訪問したさい、一方の研究室では組換えによる表現型の変化を確認するような仕バリバリの分子遺伝学をやっておりタンパク質事も行っています。大学に比べて研究テーマに予や遺伝子を暗号の羅列のように扱うような分野

算的な縛りが付いたり政治的に研究テーマの見だったこと、それに対してこちらでは具体的なタ直しを迫られることも多く、一所に留まっていてンパク質であったり細胞内小器官であったりとも一貫した研究を続けることは簡単ではないというレベルの研究内容をうかがい、より親しみをいうのが実情です。昨年勤続 10 年目にしてよう覚えたことが最終的な動機だったと記憶していやく学位を取得することが出来ましたが、1 つのます。進学してからの私も吉田先生の指導の下、ストーリーにまとめるのにはかなり無理をした

液胞膜の分離・ATPase の精製・抗体作成〜ウェス

様に思います。

タンブロッティングと、分子遺伝とは無縁の学生

これまで私が植物そして低温傷害というテーマ

時代を過ごしました。酵素というものはとにかくに携わったのはまさに吉田先生と過ごした２年

鮮度が命でしたので、材料であるモヤシを収穫し間に限られており、後続の方々の研究内容に関してから破砕にかけ、液胞膜の分画を行い、ATPaseても十分に把握しているわけではありません。まを可溶化して精製を行い、活性や純度の測定を行た独立行政法人に移行して以来、私が所属する研い・・今考えると気が遠くなりそうですが、丸三

究機関では知的財産の扱いがきびしくなってお日も不眠不休で作業をしていたことが度々あり

り、現在行っている具体的な研究内容についておました。しかし、不思議と大変だったという想い

話しするわけにもいきません。従って、本稿は私出よりも、長閑に札幌での生活を過ごしていた記の研究分野でごく一般的に語られる問題を大ま憶の方が鮮明に思い出されます。

かにご紹介するような雑文であり、植物にも低温その後つくばの工業技術院生命工学工業技術研にも最新の研究成果にも関係しない内容で恐縮究所（現・産業技術総合研究所）に勤めてからは、しているしだいです。

研究対象も植物ではなくバクテリアに変わり、こ見えない・わからない・把握しきれないの様な分野で仕事をするからには分子遺伝学と低温研で植物の低温傷害の研究をしていた時に無縁であり続けるわけにもいかず、学生時代に学- 52 -

植物科学の新展開

は『植物が低温に晒された時に傷害を受けるそのもし仮に培養することができて個別に識別する

初発反応を巡ってどのような機構が引き金になことが可能であったとしても、実験室で育てていっているのか』という問いかけが中心的な命題にるような単一クローンのバクテリアが自然界になっていました。その中で低温に対して特に感受純粋に近い形で存在し、周囲と没交渉で生きてい性が高いマメ科植物ヤエナリでは液胞膜 ATPase

るなどということはまず有り得ません。環境中のと呼ばれる液胞膜水素イオン輸送系の酵素が速微生物は２者・３者・さらに多者の間で物質のややかに失活するという事象に絡め、その傷害反応

りとりを行い、共生的に、あるいは競合的に優先のごく初期に液胞膜 ATPase の一部のサブユニッ

化とフェードアウトを繰り返しています。純粋培

トが選択的に外れて細胞質の中に遊離してくる養の菌から得られた生理学的な情報はあくまでという現象を見いだしました。これは生細胞の中

特殊なケースから得られた限定的なデータとしでのみ観察され、精製した液胞膜や酵素標品ではて注釈付きで扱われることになります。『どのよ観察されない現象であったことから、細胞質の側うな菌が、どれだけ存在するか』また『どのようにより低温傷害の初発反応に近い変化（例えば、な菌が、どんな働きをしているか』という極めてイオン環境の変化．そしてその上流にはさらに別

単純な誰でも思い浮かべるような問いかけが最のイオン輸送系や膜系などの問題が包含されても難しい問題として残されてしまうわけです。

いる．）が起こっているという傍証的な結論が得

自然界や様々な環境中の微生物を詳細に記述すられただけでしたが、細胞の仕組みの複雑さ、底ることは前述した通りほとんど不可能に近い話が見えない因果応報の奥深さを実感させられまですが、微生物群集を集合体として扱い、その群した。

集構造を把握する努力は進められています。そのそれでは現在私が携わっている微生物生態学の方法の一つが試料から DNA を抽出して遺伝子配分野はどうでしょうか。植物に比べてずっと単純列の違いに基づいたグループ分けを行う方法でな構造の生物であるバクテリアが対象ならば、さす。このような方法では解像度が高い半面、解析

ぞ研究内容や実験系もシンプルだろうと思いきの方法によってはデータの量が膨大になりかえ

や、決してそんなことはありません。まず最初にって全体像の把握が困難になるケースがありま

普通の研究者はバクテリアと聞いて、大腸菌や枯す。また、DNA の抽出効率や含まれる遺伝子のコ

草菌の様な純粋培養の菌を思い浮かべるだろう

ピー数が必ずしも細胞毎に一定していないといと思います。しかし実際の自然界では大腸菌や枯う問題があります。同様に脂肪酸やイソプレノイ

草菌の様に純粋培養できるものは実は極めてマ

ドキノン等の化学的マーカーを抽出して解析すイナーな存在であり、土壌中や水サンプル中のバるという方法も用いられていますが、逆に解像度

クテリアの 99%以上は培養に依存した方法ではは低く、起源となる微生物量そのものの把握が難検出さえできないと言われています。顕微鏡で観しいという点に違いはありません。群集構造の把察しても類別することは困難ですし、性状不明な握という観点からは離れて、起源となる微生物にものが無尽蔵に有るわけですから、一つ一つ名前は関係なく環境中の DNA を総体として扱うを付けて識別することはほとんど不可能です。植タゲノム という発想が近年流行りつつあります。

物や動物、目に見える大きさのものであれば、個データの収集・解析ともに現状の技術の範囲でカ

体ごとに種を特定することも容易でしょうが、相バーしきれるものではありませんが、今後の展開

手がバクテリア、しかも純粋培養でない場合にはしだいで主流になってくる可能性があります。一

自分の実験材料を生物学的な言葉で言い表すこ方、細胞試料を蛍光ラベルした DNA プローブやとすら困難です。

抗体で染色して観察するという手法も取られて- 53 -

メ

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -います。染色の特異性により、試料全体の中で特る場合もあります。こうしたサイトケミカルな手

定のグループに属するものがどれくらい含まれ法でも染色の効率が問われることになります。染

ているかということが推定できます。活性染色や、色のポジティブとネガティブを明瞭に区別でき

ラジオアイソトープの取り込み活性などを同時るケースばかりではないので、万能な手法ではあに検出することで『どのような菌が、どんな働きりません。また、染色により判別できるものは全をしているか』という質問には限定的に答えられ

体のごく一部に限られてしまうことから全体像の把握はなお困難で、いずれにしても残念ながら
現状では『どのような菌が、どれくらいいて、どんな働きをしているか』という命題に満足に答えられる段階にはありません。
植物研究の分野に留まっていらっしゃる方が多い中、以上のように私の中心的な興味や研究課題
は皆様方のものとは少しかけ離れたものになってしまい、はたしてこのシンポジウムの趣旨に添うものなのかよくわかりません。いえ、たぶん添わないでしょう。けれど無理矢理なこじつけをさせていただければ、未知の困難な課題を解決すること（植物の生理現象を理解することしかり、複雑な微生物生態系を理解することしかりです）、
それに関して言えば植物の研究も微生物の研究も一貫している、というのが私の考え方です。
謝辞
本稿を書く機会を与えて下さった「植物科学の新展開・分子から群集まで広視野研究をめざす」
シンポジウム実行委員会の皆様、委員長の前島正義先生に感謝いたします。また、北海道大学大学
院修士課程でご指導くださいました吉田静夫先生に深く感謝いたします。
参考文献
野田尚宏・金川貴博（2003）分子微生物生態のこれまでとこれから．日本微生物生態学会誌 18:38-43

図１ 活性汚泥試料（生活廃水処理槽から採取した微生物
サンプル）の多重染色。全て同一視野を観察したもの。上段は位相差顕微鏡による明視野観察像。中段は DAPI 染色
を UV 励起で観察したもの。黄色く光っているものはポリ燐酸を蓄積した細胞と思われる。下段は Cy3 で蛍光ラベルした特異的遺伝子プロープによる染色を B 励起で観察したもの。各細胞の大きさはおおよそ 1 µm 程度。

- 54 -

植物科学の新展開

第 II 部
広領域研究を目指して- 55 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -分子から個体まで

植物の水輸送を階層的に考える
村井（羽田野）麻理（東北農業研究センター）の外液が凍り始めてから、さらにしばらく見てい

はじめに
私は、1993 年秋から 1997 年春まで、修士課程

ると、まん丸だったプロトプラストが、梅干しのの 2 年目から博士後期課程 3 年までの約 3 年半のようにしぼんでくるではありませんか。これは、間、北海道大学低温科学研究所で学生生活を過ご

細胞の外の溶液の凍結による濃縮効果のために、させて頂きました。千葉大学園芸学部の修士課程

細胞内の水分が細胞外へ移動して、細胞が次第にの学生の時に、初めて「植物凍害科学部門」の吉脱水するためであると教わりました（細胞外凍

田静夫先生の研究室を訪れました。その時に、ご結）。細胞外凍結によって細胞から奪われる水の自作の低温顕微鏡を使って、植物の細胞が冷やさ量は半端ではなく、-10℃の凍結によって細胞内のれ凍結する様子を見せて頂いた印象は今でも忘80〜90％もの水分が脱水されてしまうほどです。

れられません。あれから早くも 11 年が経過しま

一方、細胞の内部に氷晶が形成される「細胞内凍した。振り返ってみると、現在の自分の興味は、結」は、特定の条件または特定種類の植物以外に低温研で見聞きし学んだことに大きな影響を受はめったに発生しないということです。毎日キク

けていることに気づかされます。そこで今日は、イモのプロトプラストが凍結脱水により激しく

自分が現在立っている位置を確かめ、これからをしぼむ様子を観察している内に、「なんで細胞は展望するために、これまでの 11 年を振り返って脱水によってダメージを受けるんだろうか。いっみたいと思います。

たい水スト レスとはど んなストレ ス何だろ うか？」という疑問が生じ、植物と水の相互作用に

北大低温研で過ごした３年半

ついて漠然とした興味を抱くようになりました。

大学院博士後期課程での研究テーマは、低温顕受託学生として低温研に入れてもらった 1993

微鏡を使ってキクイモ塊茎を材料に、植物細胞の年には、植物の乾燥耐性に詳しい荒川圭太先生

凍結障害メカニズムを追求するというものでし（現：北大農学部）、またアクアポリンを世界にた。

先駆けて単離された前島正義先生（現：名大生命

丸い 1 個のプロトプラストが、低温顕微鏡のス

農学研究科）に指導していただく機会にも恵まれテージで徐々に冷やされて 0℃を下回ると、まず、ました。このような環境のもとで、植物と水の関

細胞外の溶液が凍り始めます。顕微鏡視野の彼方係について、もっと勉強したいと思うようになりから氷の結晶がぐんぐん成長してプロトプラスました。

トの近くにまで伸びてくる様子をはじめて目に東北農研センターでの７年半した時は、南国四国育ちの私は「あー、私はついに北海道まで来たんだなあ。北海道といえば六花1997 年に就職したのは、岩手県盛岡市にある東亭のチョコレート、そしてここは雪の結晶の研究

北農業試験場の気象評価制御研究室（現：東北農で有名な低温研なんだなあ。」と思ったものでし

業研究センター農業気象研究室）というところでた。

した。この研究室には、「気象学」と「農作物のさて、温度が氷点下に下がり、プロトプラスト

栽培技術」という全く異なる研究分野出身の人が- 56 -

植物科学の新展開

あつまる個性的な研究室でした。これからどのよ

酸化炭素を効率よく吸収するのに適しています

うな研究テーマに取り組むべきかと考えていたが、同時に葉から水分を効率的に蒸散させてしまところ、当時の小沢聖室長（現：国際農林水産業

います。

研究センター沖縄支所）に、冬作のホウレンソウ

植物体内を水がスムーズに流れることができやコマツナ「寒締め菜っ葉」が低温でしおれて農れば、蒸散によって失われた水は根からの吸水に業現場で問題になっているから、そのメカニズム

よってすみやかにおぎなわれるはずですが、実際について調べてみないかと勧められました。急なには植物体内の水の流れにくさ、すなわち「通水低温にさらされると植物がしおれる現象には、以抵抗 (hydraulic resistance)」 が無視できず、蒸散

前から興味があったので、私には願ってもない研に吸水が追いつかなくなることがあります。そう

究テーマでした。

なると葉の水分は減少して、植物は水ストレスにさらされてしまいます。

植物のしおれは、葉からの蒸散が根からの吸水を上回り、葉の膨圧が低下する現象です。そこで、土壌水分がたっぷりある水田で生育するイネ

しおれの原因を突き止めるために、まず水の出口においても例外ではなく、イネの葉が水分不足にである葉からの蒸散に異常がないかを調べるこなって巻いているのを見たときは驚きました（写とにしました。コマツナの葉の気孔の開度をポロ

真 1）。

メータという装置を使って調べたところ、低温でも気孔の開閉調節は正常に行われていることが分かりました(Murai & Ozawa 1999)。となると、低温によるしおれは、水の入り口に相当する根からの吸水が抑制されたためと推測されます。
植物はいったい、どのようにして水を吸い上げるのでしょうか？これは植物生理の古典的なテーマであることに加えて、アクアポリンの発見を契機に、分子レベルでの理解が可能になりつつあります。細胞１個レベルでの水輸送に重要な役割を果たすアクアポリンは、植物の組織・器官そして個体レベルでの水輸送にはどのような影響を与えているのでしょうか？それを是非知りたいと思いました。植物の水輸送は、分子レベルから
図 1 水田でもイネの葉は水不足になる。東北農研センター試験圃場にて撮
影(2002 年 6 月 25 日(12:00-13:00), 品
種名：アキヒカリ

個体レベルへと階層構造をなしていると考え、その階層と階層のギャップをつなぐような研究がしてみたい、と思ったのです。まだまだ、そこまで行っていないのが現状ですが、これまで取り組

水ポテンシャルは水の流れる方向の尺度

んだ研究を以下に紹介したいと思います。

葉の水分状態の悪化の程度は、「水ポテンシャ
ル」 の低下として定量的に評価されます。

低温と植物の水輸送

水ポテンシャルとは、水の化学ポテンシャル

光合成植物の葉は、一般に太陽光に対して薄く（純水を基準ゼロとする）を水の部分モル体積で広く展開しており、またその葉の両面には気孔が割った量として定義されます。化学ポテンシャル

数多く存在しています。これらの形態は、光と二はモルあたりの自由エネルギーで、これを部分モ- 57 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -ル体積で割るわけですから、水ポテンシャルは水

ルが導管の内部を負圧にし、これが推進力となっの単位体積当たりの自由エネルギー（差）と言うて根から水を吸い上げる」という説です（ただしことになります。つまり、「自由エネルギーの高

昼間の蒸散時）(Kramer & Boyer 1995)） 。

い方から低い方へと水が移動する」ことになり、吸水速度は、土壌（水耕液）の水ポテンシャル

水ポテンシャルという指標は水移動の方向性をと葉の水ポテンシャルの差に比例し、通水抵抗に表すと言えます。

反比例するという考え方が、もっとも基本的なモデ ル と し て 受 け 入 れ ら れ て い ま す (Kramer &水は、植物の葉から蒸散によって多量に消費されます。多いときには、数時間で植物の含水量とBoyer 1995)。

同量の水が蒸散で失われるほどです。植物がしおW = (ΨG−Ψ L) / ｒP・・・・・・(2)

れずに正常な生命活動を行うためには、葉を高い

ただし、W は吸水速度、ΨG は: 土壌（水耕液）

水ポテンシャル(0〜-2 MPa 程度, 相対湿度に換算の水ポテンシャル、ΨL は葉の水ポテンシャル、すると 98 ％以上)に維持する必要があります。根そして rP は植物体の通水抵抗からのさかんな吸水がこれを支えていることにコンダクタンス)です。直流電気回路のオームの法なります。

則と同様、電気抵抗に相当するのが rp です。

植物が水を吸いあげるしくみ

低温が植物の通水抵抗に及ぼす影響（1/rP =LP: 通水

それでは、葉の水ポテンシャルの低下が根の吸話を、低温による植物のしおれ現象に戻したい

水を引き起こすまでの過程はどのようになってと思います。植物の中での水の通りにくさ（通水いるのでしょうか？実は吸水のメカニズムは古抵抗）は温度によってどのような影響を受けるのくから研究されているにもかかわらず、いまなおでしょうか。イネの幼植物を材料にして、器官・盛んに議論がなされているホットなテーマでも部位別の通水抵抗の分布を調べところ、25℃の条あります。現在もっとも受け入れられている考え

件では、根の通水抵抗は、地上部と同程度の大き方は、「蒸散によって低下した葉の水ポテンシャ

さであるに対して、根の温度低下につれて根の通ab

図 2 根圏温度に依存したイネ幼植物の根(a)と植物体全体(b)の通水コンダクタンス Lp ( =1/ rp)の変化．植物
体地上部は室温(25℃)に保ったまま、根の温度 TR を変化させて、根単独(a)および植物体全体(b)の通水コンダ
クタンス Lp をプレッシャーチャンバ法で計測した。Lp は TR=25℃での値に対する相対値(Lp/Lp25℃)として表示した。横軸は絶対温度の逆数、縦軸は Lp/Lp25℃またはη25℃/ηの対数として表示。ただしηは水の粘性係数(Pa s-1)。●▲は根圏温度を変化させた後 120〜250 分経過後（平衡値）、△は 10 分後の値をプロットしている。
- 58 -

植物科学の新展開

通水抵抗の変化が蒸散速度に及ぼす影響
それでは、植物体内の通水抵抗が大きくなると、蒸散速度にどの程度の影響を及ぼすのでしょうか？気温、湿度および根の温度を制御できる人工気象室を使って調べてみました。その結果、例えばイネの根の温度が 15℃から 10℃に低下することによって通水抵抗が 2 倍に増加す
ると、蒸散量は４割も低下する (気温 25℃, 大気飽差 12 hPa, 葉の片面の入力長波放射量 510
Wm-2, 葉の吸収日射量 100Wm-2 の条件) など、
通水抵抗の増減は植物の蒸散量にも大きな影響を及ぼすことが確認されました（桑形、村井、濱嵜 2003）。

温度低下がもたらす吸水機能低下の生理的メ
カニズム
根の通水抵抗が温度にこれほど強く依存するのはどうしてなのでしょうか？低温では根が水を吸い上げにくくなる生理的メカニズム
図 3 根圏温度を不連続に変化させた場合の通水コンダ
クタンス Lp の時間変化について考えてみたいと思います。
土壌中の水が根の表皮から吸われて、根の中心にある導管（水を通すパイプ）にまで至るま

水抵抗は増加すること、さらに根の温度が 15℃をでの経路には何層もの生きた細胞が存在してい下回ると通水抵抗は極端に増加(通水コンダクタ

ます(図 4)。水が導管にはいってしまえば中の抵

ンス Lp が低下)し、植物体全体の Lp に大きく影抗が小さいので水はスイスイ流れることができ響することがわかりました（図 2）。

ますが、そこまでの経路に存在する細胞、つまり次に、温度に依存した通水コンダクタンス Lpの変化がどれくらいの速さで進行するのか見てみると、温度に対する Lp の変化には、数分以内の早い応答と、1 時間以上の緩慢な応答が存在することが明らかになりました（図 3）。早い応答については、Lp の温度依存性が水の粘性係数より少し大きいということから、粘性係数の温度依存性に代表される水の物理的性質に依存した応答と考えられます。一方、 遅い応答は、根の温度が15℃を下回ると発現し、Lp を大きく低下させます。
この緩慢な応答の実体は、生体膜水透過率の変化

図 4 紅丸カブ芽生えの根の横断面 根が水を吸い上げる場合、導管内部を流れる水経路に比べて、根の表皮から導管に至る水輸送経路の抵抗が大きく、特に細胞を横断する（膜を透過する）際の抵抗が大きいといわれている。

を反映したものである可能性が高いと推測していますが、今後証明すべき課題と考えています。

- 59 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -生体膜を透過するときに大きな抵抗がかかってるアクアポリンの機能に強く依存するものと推しまいます。低温になると根が水を吸い上げにく測されます。

くなる原因として、生体膜の水透過率が低温で著

最近、植物の細胞膜のアクアポリンの活性が細しく悪くなってしまう可能性が考えられます。

胞質 pH の影響を強く受け、細胞質が酸性化する

このことを確かめるためには、個々の細胞の水と水を通し にくくなる ことが報告 されまし た

透過率を調べる必要があると考えました。植物の(Tournalre-Roux et al. 2003)。この報告から、低温細胞は外側の細胞膜と内側の液胞膜の二重膜構による根の吸水抑制にも、細胞質酸性化によるア造となっているので、様々な環境条件下で、それクアポリン機能の低下が関与している可能性がぞれの膜の水透過率がどのように調節制御され類推されます。もしかしたら、低温による細胞質ているのかも興味深いところです。そこで、プロの酸性化は、膜の水透過率を抑制して細胞の水分トプラスト全体の水透過率と、単離した液胞の水状態を一時的に変化させることにより、乾燥およ

透過率をそれぞれ計測し、数値モデルの助けを借

び低温順化のプロセスで何らかの役割を果たし

りて細胞膜と液胞膜の水透過率を分離評価するているのではないかと想像力を膨らませていま

方法を考案しました(Suga et al. 2003, Kuwagata &す。

Murai 2004, Murai & Kuwagata 2004)。この方法を用いて幼いダイコンの根から単離したプロトプ

まとめ

ラストを材料に計測したところ、細胞膜・液胞膜

以上ご紹介した断片的な研究結果は、アクアポ

とも水透過率は約 500μm s-1 と非常に高い(25℃

リン分子を通過する生体膜レベルでのミクロな条件下)こと、ただし細胞膜の水透過率に限っては水の流れが、根・茎・葉の器官レベル、そして植

特定の条件により著しく低下することなどが分物個体レベルでの通水抵抗にもはっきりとした

かってきました。今後は、細胞膜と液胞膜の水透影響を及ぼし、植物の吸水・蒸散量を左右するら

過率が温度の影響をどのように受けるのかを、具しいということを示唆しているように見えます。

体的に調べてみたいと考えています。

ただし、細胞膜と液胞膜の水透過率が実際に温度に対してどのように反応するのか検証する必要

生体膜の水透過孔「アクアポリン」の役割があります。また、アクアポリンが具体的にどの従来、水は生体膜を単純拡散で透過すると考えように低温下での水輸送に関与しているのかはられていましたが、実はアクアポリン（aqua=水、

未解明のの課題となっています。さらに、植物個

porin=孔の意味、水チャネルとも呼ばれる。
）とい体レベルの水輸送を理解するためには、アクアポ

うタンパク質でてきた特殊な透過孔が、生体膜でリンを介さない水輸送経路つまりアポプラストの水の超高速輸送を可能にしていることが明ら

経路も含めた水輸送プロセスについて考える必かになったのは 10 年ほど前のことです(→前島先

要があります。東北農研センターは、岩手大学の生のページ)。アクアポリンが細胞レベルの水輸送

上村松生先生の研究室に近い点でも恵まれていに果たす役割は非常に大きく、アクアポリンの働ます。今後は、植物の耐寒性獲得機構について低きの大小によって、細胞１個の水透過率が 10〜

温研で教えて頂いたことを役立てながら、植物と100 倍もの広い範囲で変化するほどです。

水の関係について、研究を続けることができたらいいな、と考えています。

水稲の根に水チャネル活性を阻害する物質(HgCl2)を添加すると、吸水速度が激減する（阻害謝辞

剤添加前の 3 分の 1 以下） (Murai et al. 2001)こと「植物科学の新展開−分子から群集まで広視から、イネの吸水機能も細胞膜と液胞膜に存在す- 60 -

植物科学の新展開

野研究をめざす−」シンポジウムの計画をリード

various humidity, Plant Biology 2001. Final

して下さった露崎史朗先生にお礼申し上げます。

Program, p87.

このシンポジウムに参加できることは大きな喜Murai, M. and Ozawa, K. (1999). Cold-shock induced

びです。東北農研センターに就職してもう 8 年目

wilting and recovery in Brassica campestris L. (cv.

となりますが、低温研で過ごした 3 年間は特別にKomatsuna) grown in unheated greenhouses, Acta

長く感じられます。低温研でお世話になった皆様

Horticulturae, 507: 197-203.

に心より感謝申し上げます。指導教官の吉田静夫

Murai, M. and Yoshida, S. (1998a). Vacuolar

先生からは辛抱強く卒業まで毎日お世話になり

membrane lesions induced by a freeze-thaw cycleました。プロトプラストの観察には今も愛着があin protoplasts isolated from deacclimated tubers ofり、現在の研究にも大変役立っております。吉田Jerusalem Artichoke (Helianthus tubelosus L.),先生から教わったことの中でも特に勇気づけら

Plant and Cell Physiology, 39: 87-96.

れたことは、新しい研究分野でも躊躇せずチャレ

Murai, M. and Yoshida, S. (1998b). Evidence for the

ンジする行動力を目の当たりにしたことだと思

cell wall involvement in temporal changes in

います。本稿で紹介した研究を共同で取り組み、

freezing

またご助言ご指導下さった東北農研センターの(Helianthus tubelosus L.) tubers during cold

皆様、農業環境技術研究所の桑形恒男さん、愛媛

acclimation. Plant and Cell Physiology, 39: 97-105.

大学農学部の野並浩先生、名古屋大学の前島正義

Suga, S., Murai, M, Kuwagata, T. and Maeshima, M.

先生はじめお世話になった皆様に心よりお礼申(2003) Differences in Aquaporin Levels among

し上げます。

Cell Types of Radish and Measurement of Osmotic

toleranceofJerusalem

Artichoke

Water Permeability of Individual Protoplasts. Plant
参考文献

and Cell Physiology 44: 277-286.

Kramer, P. & Boyer, J. (1995) Water Relations ofTournaire-Roux, C., Sutka, M., Javot, H., Gout, E.,

Plant and Soils. Academic Press, USA, pp.495.

Gerbeau, P., Luu, D-T., Bligny, R. & Maurel, C.

Kuwagata, T & Murai, M. (2004) A method for(2003) Cytosolic pH regulates root watermeasuring osmotic water permeability of plasma-transport during anoxic stress through gating ofand vacuolar membrane for modeling wateraquaporins. Nature 425: 393-397.

transportinhigherplants.

(1)

Theoreticalconsideration. International Workshop on Plant
Membrane Biology. Abstracts, p100.
Murai, M. & Kuwagata T. (2004) A method formeasuring osmotic water permeability of plasmaand vacuolar membrane for modeling watertransport in higher plants.

(2) Experimental

Results on Radish (Raphanus sativus L.) root cells.
International

Workshop

on

Plant

Membrane

Biology. Abstracts, p100.
Murai, M., Kuwagata, T., Hamasaki, T. and Ishikawa,J. (2001). Effect of root temperature on hydraulicresistance and transpiration on rice plants under- 61 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -スサビノリにおける細胞膜一次ポンプと膜輸送機構− 到達点と今後の課題−
長谷 昭（北海道教育大学 函館校生物学教室）

分吸収能が関わっていることが推定されている

はじめに細胞膜を通っての養分やイオン等の能動輸送ことから、海苔の細胞膜輸送についての共同研究には、膜を横切って形成される一価陽イオンの濃を開始した。その過程において、思わぬ発見があ

度勾配と膜電位が駆動力を与える。その一価陽イったので、今後の研究上の課題も含めて紹介した

オンの濃度勾配の形成にあずかるイオンポンプ

い。尚、この研究は、私自身による実験の他、嵯を、一次ポンプと呼んでいる。一般的には動物の峨教授の指導のもと、嵯峨研究室の北出幸広氏

場合はナトリウムポンプ（Na+/K+-ATPase）、細胞（日本学術振興会 PD、主に in silico クローニング

壁を持つ植物や菌類・藻類の場合はプロトンポン等を担当）、田畑恵さん（MC1 年、生化学的実験

プ（H+-ATPase）が一次ポンプであり（Gimmler

一般）、及び進藤昌樹君（MC1、cDNA のクロー

2000）、いずれもリン酸化中間体をその反応サイニング）等との共同研究によって進めてきた。

クルの途中に生じる P 型 ATPase に分類されていスサビノリ及びその生活環る major な細胞膜タンパク質である。私は、15 年ほど前に内地研究員として北大低温科学研究所

まず、研究材料である紅藻スサビノリについて

植物凍害部門（当時）において、吉田静夫先生か

簡単に紹介したい。海苔というとアサクサノリのら細胞膜の単離法及び細胞膜 H+-ATPase の分析法

名前を思い浮かべる方が多いと思われるが、今やを指導して頂いて以来、主に、キクイモ塊茎及びアサクサノリは絶滅危惧種に指定されている比その培養組織を材料として、この酵素の細胞増殖

較的珍しい海藻であり、全国的に養殖され焼海苔

及び栄養成長での役割について調べ、また関連して液胞膜プロトンポンプについても調べて来た（Hase 1993; Ueoka& Hase 1997）。更に北大地球環境科学研究科の奥山英登志研究室との共同研
究として、浮水性植物のヒメウキクサのリン酸飢餓応答における本酵素及び関連するリン酸トランスポーターやホ
スファターゼについても調べてきた(Nishikoori et al. 2001; Hase et al. 2004)。
このように、これまでは主に高等植物を材料として研究を進めて来たが、2000 年 4 月に北大水産学部教授として旧知の嵯峨直恆氏が着任され、特に養殖海苔の「色落ち」等の品質劣化に養図１．アマノリ属の生活環。 吉崎・神谷（1999）より引用。

- 62 -

植物科学の新展開

表１．スサビノリの配偶体（葉状体）と胞子体（糸状体）から単離した細胞膜画分におけるバナジン酸感受性 ATPase 活性。

SampleTotal ATPase activity

Vanadate-sensitive ATPase activity

Inhibitionµmol Pi/mg protein/h%Gametophyte

2.05±0.04

0.73±1.00

34

Sporophyte

25.98±4.13

19.87±1.2476等に加工されているのは、本種スサビノリ

体が一層の細胞でありかつ極めて薄いために、ポPorphyra yezoensis である。そのために、水産業

リトロンホモジナイザーでは断片化するだけで上も極めて重要な海藻の一つとなっている。種小ホモジナイズできなった。結局は一番原始的な石名が示すように、もともとは北日本の磯に広く自英砂を加えての乳鉢・乳棒でのホモジナイズとな

生し、岩海苔として冬場の重要な漁業資源となっったが、効率は著しく悪く、膜収量も高等植物にてきた。しかし、有明海における赤潮による被害

較べれば低いものであり、また肝心のバナジン酸が示すように、養殖海域の環境悪化によって品質感受性 ATPase 活性もほとんど検出出来なかった。

や収穫量が大きく低下するために、その克服が大

試行錯誤の末、比較的高い pH（8 程度）と 50 mM

きな課題となっている。

以上の NaCl を含む ATPase 反応液を用いることによって、低いながらもバナジン酸に弱い感受性

スサビノリが属するアマノリ属の生活環を図 1を持つ活性を検出出来た（表 1）。

に示した。スサビノリは紅色植物門紅藻綱原始紅藻亜綱に属する海産多細胞藻類であるが、食用とここにおいて、予想に反して、スサビノリにはする海苔は葉状で単相の配偶体世代である。養殖

P 型 H+-ATPase ではなく、Na+-ATPase が細胞膜には糸状で複相の胞子体世代の培養から始まり、貝存在する可能性が示唆された。次いでスサビノリ

殻に植え付けて以降の生活環を進行させる。
非常に複雑な生活環を有するために、しばしば複数の世代が共存する可能性があるが、本研究では、実験室で維持管理した配偶体（葉状体）と胞子体（糸状体）を材料として用いている。尚、スサビノリについての実験生物としての有利さ、特徴、及び研究の現状等は、文献（嵯峨・田畑

2001）を参照されたい。

スサビノリからの細胞膜の単離と P 型 ATPaseの検出
水産業上重要なのは葉状の配偶体であるので、まず葉状体から細胞膜の単離を試みた。
幸いなことに、スサビノリの細胞壁はセルロース性であり、かつホモジナイズを困難にす
る粘液多糖類もほとんど無いので、高等植物に適応してきた方法（分画遠心及び二相分配法）を準用して膜単離を試みた。しかし、ス
サビノリの細胞壁は予想以上に固く、かつ藻

図 2．スサビノリ細胞膜タンパク質における P 型 ATPase の免疫
ブロット分析。 1, 2, 3, 4 はそれぞれキクイモ塊茎培養組織、シロイヌナズナ培養細胞、スサビノリ葉状体、スサビノリ胞子体からの細胞膜タンパク質。

- 63 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -の養殖上重要な世代である胞子体（糸状体）から、ATPase の特異的阻害剤であるウワバインでは阻同様に細胞膜を単離しバナジン酸感受性活性を害されないので、Na+と逆向きに K+を輸送するか分析したところ、バナジン酸で強く阻害される比どうかは、今の段階では不明である。そこで動物較的高い活性を持つ膜を得た（表 1）。最適 pH やの酵素と区別する意味で Na+-ATPase と記述した。

Na+ 依 存 性 に 関 し て の 実 験 よ り 、 や は り Na+スサビノリ Na+-ATPase 遺伝子のクローニング

ATPase である可能性が示唆された。また、P 型

スサビノリにおいてはゲノムプロジェクトがATPase に広く保存されている ATP 結合部位の保進行しており、2 万程の EST クローンのデーター

存配列に対して作製した抗血清を用いた免疫ブ

ベースがかずさ DNA 研究所から公開されている。

ロット分析によって、分子量 115k Da の膜タンパ

そこで、P 型 ATPase に共通して保存されているいク質を検出した（図 2）。この膜タンパク質は、葉

くつかのアミノ酸配列を用いてホモロジー検索状体から単離した細胞膜では、免疫ブロット分析を行い、関連するクローンの情報を得ようとした。

で露出時間（化学発光法による）を長くすればか

幸いなこと に、そのう ちの一つが ヒットし て

ろうじて検出される程度の量しかなく、ATPase

Drosophyra Na+/K+-ATPase alfa-subunit と注釈が付

活性の結果とほぼ一致した。尚、この酵素には K+

けられている多数のクローンを得た。その大部分依存性がほとんど無く、また、動物の Na+/K+-

図 3．スサビノリの Na+-ATPase と推定されるタンパク質のアミノ酸配列。

- 64 -

植物科学の新展開が糸状体由来であり、またほとんどが同じ配列で水性紅藻イデユコゴメ Cyanidium caldarium のあったが、同じ遺伝子グループには 119 種類（葉H+-ATPase の配列（Ohta et al. 1997）と詳細に比較

状体 5、糸状体 114）のクローンが分類されていしたところ、系統的に離れているアカシオモの遺たので（Asamizu et al. 2003）、その中から糸状体

伝子との高い相同性が明らかになった。更に、ほ由来の任意の 20 クローンを選び、コンピュータとんどすべての界の真核生物にまたがる 19 生物

上での連結を試みたところ見事につながり、1,169の P 型 H+-ATPase 及び Na+-ATPase（Na+/K+-ATPase）

アミノ酸、分子量 128,427 のタンパク質をコードと比較分析 した結果、 スサビノリ の遺伝子 はする連続した配列を得た（図 3）。ハイドロパシー

Na+-ATPase のクラスターに含まれた（図 4）。

プロットにより、10 回膜貫通型の膜タンパク質で以上のように、非常に幸運なことに、in silico ク

あることが予想され（図 3 の M1〜M2）、また、P

ローニングによって遺伝子の実体が明らかにな型 ATPase において共通するほとんどの配列を有ったので、その配列をもとに PCR プライマーをしていた（図 3 の四角で囲った配列）。そこで、設計し、RT-PCR を繰り返すことにより、全長を藻類で唯一 Na -ATPase のクローニングが報告さカバーする cDNA クローンを容易に得ることが出

れ て い る ラ フ ィ ド 藻 ア カ シ オ モ Heterosigma

来た。その配列は上記の in silico クローニングでakashiwo からの遺伝子（Shono et al. 2001）及び淡得た配列と完全に一致した。しかし、遺伝子面で+図 4．スサビノリの推定上の Na+-ATPase の系統分析。系統樹の作成は UPGMA 法によった。

- 65 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -の急激な進展とは裏腹に、本来的には先行すべき法が大きく変わってしまう。特にスサビノリ糸状

生化学的研究が、材料の難しさ（成長が遅くて分体の場合は、Na+の対向輸送体が次の研究のター析に必要な材料を得るまでに時間がかかる、固いゲットとなり、また EST クローンの中にもそのよためにホモジナイズ効率が悪く膜の収量が低い、

うに注釈されているクローンが見つかっている。

内在性プロテアーゼ等の活性が高く自己崩壊ししかし、食用となる葉状体では、細胞膜におけるやすく均質な膜を取りづらい=再現性が悪い等）

P 型 ATPase は、免疫ブロットにおいてもかろうじの壁にぶつかり、四苦八苦している。少なくともて検出される程度であるし、活性も他の ATPase

糸状体細胞膜においては、H+-ATPase と思われる

活性に埋もれていると思われる結果しか得てい膜タンパク質、活性、EST クローンをいずれも検ない。また、相同性のある EST クローンも糸状体出していないので、本酵素が一次ポンプとして機の 5/114 である。そもそも純度の高い細胞膜が単能している可能性は高いと思われるが、生化学的離されていない可能性もあるが、あまりにもバナ

実験の遅れから、現状ではまだそのことを直接証

ジン酸感受性 ATPase 活性が低いので、間接的に明する結果を得るには至っていない。

しか検証出来ないというのが現状である。
一方、細胞膜の単離・特徴付けの実験と平行しスサビノリにおける P 型 Na -ATPase の発見の意て、液胞膜も浮遊遠心法を改良して単離してきた。

義その特徴付けの過程で、V 型 ATPase の A 及び B+

「はじめに」でも触れたように、細胞壁を有す

サブユニットに対する抗体とクロスするバンド

る高等植物、菌類そしていくつかの藻類においてを、葉状体の細胞膜タンパク質にも見出した。こは、海産生物であっても H -ATPase を細胞膜の一のバンドは糸状体細胞膜では検出出来なかった。

次ポンプとして用いている（Gimmler 2000）。

現在、荒川圭太氏から提供頂いた他のサブユニッ

Na -ATPase が一次ポンプとして機能しているのトに対する抗体をも用いながら、葉状体細胞膜にが報告されているのは、藻類としては前出のアカおける一次ポンプの同定を行っているところでシオモ（Wada et al. 1989, 1992）と単細胞緑藻の

ある。

+

+

Tetraselmis viridis（Popova et al. 1998）であるが、今後の展望

前者は細胞壁の無い単細胞藻類であり、実質的に動物細胞のように海水のイオン環境に細胞膜がスサビノリにおける細胞膜輸送に関する研究曝されている。また、後者は高度好塩性の単細胞は、実質的に昨年度から始まったばかりであり、藻類であり、イオン環境に応じて H+-ATPase も一

程なく一次ポンプ候補の全長の配列が分かると次ポンプとして使い分けていることが報告されいう幸運に恵まれた。しかし、材料自体は高等植ている（Pagis et al. 2003）。従って、通常の海水環物に較べても決して取扱いが簡単なものではな

境化で生育する細胞壁を有する多細胞藻類では、く、生化学的実験に向いている訳でもない。しかこれが初めての一次ポンプ候補の Na+-ATPase のも、直接参考に出来る先行研究が極端に少なく、検出とクローニングの報告であると思われる。

手探り状態で研究を進めているのが現状である。
唯一の救いはゲノムプロジェクトの進展であり、スサビノリの葉状体における細胞膜一次ポンプ

今回の成功もそれに負うところが大きい。従って、は何か?

今後とも一方では生化学的実験の精度を上げな

膜輸送の分子機構の総合的解明のためには、一がらも、もう一方ではゲノムプロジェクトの成果

次ポンプの特徴付けは必須であり、それによってを活用しつつ、研究を発展させていかなければな

その後の二次輸送体への研究のアプローチの方

らないであろう。

- 66 -

植物科学の新展開

Cyanidium caldarium. Biochim. Biophys. Acta
謝辞

1319: 9-13.

まずは今回のシンポジウムを準備し、本稿の執Pagis, L.Y., Popova, L.G., Andreev, I.M. & Balnokin,

筆の機会を叱咤激励しながら与えて下さった、露Y.V. (2003) Comparative characterization of the崎史朗氏に感謝したい。彼なくしてはこの企画はtwo primary pumps, H+-ATPase and Na+-ATPase,

なかったであろう。

in the plasma membrane of the marine alga

私は現所属校に赴任してから今年で 24 年にな

Tetraselmis viridis. Physiol. Plant. 118: 514-522.

るが、文字通り 0 からの出発であった。研究上のPopova, L.G., Balnokin, Y.V., Dietz, K.J. & Gimmler,

困難にあえいでいた赴任後 8 年目に、吉田静夫先

H. (1998) Na+-ATPase from plasma membrane of

生に指導を受ける機会を得た。その際に吉田先生

marine alga Tetraselmis (Platymonas) viridis forms

及び当時助手だった前島正義先生に教わったテa phosphorylated intermediate. FEBS Lett. 426:

クニックが、自分自身の研究の発展のみならず、

161-164.

複数の研究室との共同研究の道を拓くこととな

嵯峨直恆・田畑哲之（2001）海のモデル植物スサった。研究成果は微々たるものではあるが、それビノリ．植物細胞工学シリーズ 14 「植物のゲ

でもしぶとくローカル大学の零細研究室で研究

ノム研究プロトコール」，pp. 208-215.

を継続していられるのは、その時の賜である。こShono, M., Wada, M., Hara, Y. & Fujii, T. (2001)

こに両先生に対して深い感謝の意を表したい。

Molecular cloning of Na+-ATPase cDNA from amarine alga, Heterosigma akashiwo. Biochim.

参考文献

Biophys. Acta 1511: 193-199.

Gimmler , H. (2000) Primary sodium plasma

Ueoka, H. & Hase, A. (1997) Tonoplast H+ pumps aremembrane ATPases in salt-tolerant algae: facts andactivated during callus formation of tuber tissues offictions. J. Exp. Bot. 51: 1171-1178.

Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus). Physiol.

Hase, A. (1993) Changes in protein composition and

Plant. 100: 91-101.

the H+-ATPase activity of the plasma membrane

Wada, M., Satoh, S., Kasamo, K. & Fujii, T. (1989)

during induction of callus from tuber tissues ofPresence of a sodium-activated ATPase in the

Jerusalem artichoke. Plant Cell Physiol. 34: 67-74.

plasma membrane of the marine Raphidophycean

Hase, A., Nishikoori, M. & Okuyama, H. (2004)

Heterosigma akashiwo. Plant Cell Physiol. 30: 923928.

Induction of high affinity phosphate transporter inWada, M., Urayama, O., Satoh, S., Hara, Y., Ikawa, Y.

the duckweed Spirodela oligorrhiza. Physiol. Plant.

& Fujii, T. (1992) A marine algal Na+-activated120: 271-279.
Nishikoori, M., Washio, K., Hase, A., Morita, M. &ATPase possesses an immunologically identicalOkuyama, H. (2001) Cloning and characterization

epitope to Na+,K+-ATPase. FEBS Lett. 309: 272-

of cDNA of the GPI-anchored purple acid274.
吉崎誠・神谷充伸（1999）紅色植物．バイオディ

phosphatase and its root distribution in Spirodela

バーシティ・シリーズ 3「藻類の多様性と系統」

oligorrhiza. Physiol. Plant. 112: 241-248.

（千原光雄編），pp. 177-193.

Ohta, H., Shirakawa, H., Uchida, K., Yoshida, M.,
Matuo, Y. & Enami, I. (1997) Cloning andsequencing of the gene encoding the plasma
membrane H+-ATPase from acidophilic red alga,- 67 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -粘菌ってなにもの？
川田健文（東邦大学理学部生物学科

分子発生生物学研究室）

だし、植物や低温科学とはいささか距離を持ってはじめにしまったので、その辺はご勘弁願いたい。

大学院修士課程（理学研究科植物学専攻）学生として北海道大学低温科学研究所にて吉田静夫

細胞性粘菌とは先生のお世話になったのは 1984 年からの 2 年間と記憶している。そのときのメンバーは仁木さん、

いささか前書きが長くなってしまった（長く佐藤さん、石川さん、吉江さん、上村さんそしてした）が、北大には細胞性粘菌のラボが長らく存恵谷君。恵谷君以外はみな既に博士号を取った人在していたので、我々の世代の人間にとって細胞ばかりで、年が離れていたのでちょっと浮いた存性粘菌はさほど珍しい生き物ではないかも知れ在であったはず（ちなみに、同級生である露崎とない。

は入れ違いになってラボでは重なっていない）。

粘菌細胞はアメーバとして単細胞でアメーバ

当時の思い出としてはとにかくハードワーカーを捕食し、栄養源が枯渇するとおよそ 10 万個のの吉田先生の仕事ぶりくらいしか記憶になく、夜細胞が集合し、多細胞体を形成する。多細胞体は中の２時半まで実験するので、こちらも意味もな

移動体と言うナメクジを形成し、適した場所を求く３時まで実験して帰宅したら夜が明けていた

めて動き回り、やがて柄と胞子からなる子実体をということがよくあった。翌朝吉田先生は 8 時に形成する(Raper, 1940)。
ここでまず１つ議論すべきこととして、とある来るけど僕はよく寝坊した。
ほかのメンバーと同じくこの分野の仕事を長

教科書には粘菌は多細胞生物ではなく単細胞がく続けられていたらここで仕事の紹介をするの集まったものと記されている。確かに、単細胞がが格好いいのだろうが、残念ながらいろいろと興集まって多細胞体をつくったのであるが、これは味は移ろうもので、どうしても、遺伝子をいじく明らかな多細胞体である。何故なら、後生動物にる仕事がしたくて、博士後期課程からは別のラボ

みられる細胞間コミュニケーションに関する分へと移り、学位取得と前後して基礎生物学研究所

子のほぼ全てが存在するからである(Grimson etへスタッフとして赴任し、そこで出会った Jeffrey
G. Williams 教授の細胞性粘菌の仕事に興味を持ち

pstO

英国に留学することになった。ほんの２年くらい

pstAB

pstA

のつもりで、また植物の分野へ戻ってくるはずが、６年半ロンドンに滞在することになり、結局今もprespore

その分野から抜け出せなくなってしまった。そして、何故か恵谷君の母校で教員をしている。

図 1 細胞性粘菌の移動体における細胞型 (Shimada et al.,2004b)。細胞性粘菌の移動体には大きく分けて予定胞子細胞と予定柄細胞の２つの細胞型がある。予定柄細胞はecmA 及び ecmB 遺伝子のプロモーター断片の発現に基づいてさらに pstA, pstO, pstAB 細胞に分けられる(Jermyn
et al., 1989; 1996)。pstA 細胞は予定柄細胞領域の前方半分を、pstO 細胞は予定柄細胞領域の後方半分に位置する。
この図にはその他の細胞型は示されていない。

昔の仕事を今から紹介してもしょうがないであろうし、みんな知っていると思うので、本稿では、英国留学以降の研究結果（エッセイ？）の一部を紹介し、今後展望について述べてみたい。た- 68 -

植物科学の新展開

al., 2000)。さらに、多細胞生物にのみ知られていうことを思い知らされることになった。当時の基る多くのシグナル伝達経路が粘菌にも存在する。

生研の所長であった竹内郁夫先生の招きで来日

詳しくはここでは述べないことにする。

した Jeffrey G. Williams 教授の面倒をうちのラボ

もう 1 つの論点は、これは植物か、動物かそれで見ることになり、1 ヶ月あまり一緒に実験をす

とも菌類かである。結論から言うとどれでもなさることになったことが、その後の運命を大きく変そうである。ある部分は植物に近いとか、動物にえてしまった。「粘菌の子実体形成においてある

近いとか、菌類に近いとかあるが、粘菌は粘菌と転写因子が決定的に重要なはたらきをしている

して進化して来たようである。これは、全ゲノム

はずで、それを是が非でもクローン化してみたい

配列の解読によって明らかになった。そして、驚のだが、未だ成功していない。やってみないか？」

くなかれ、遺伝子構成上動物の中のどの生物と近当時、高等植物で転写因子を扱っていていささいかと言うと、ヒトなのである。何故か、ヒトのかその分野にはうるさかった僕がこの言葉に心脳に発現するものの相同遺伝子やヒトの疾患原を動かされない訳はない。材料は植物ではないけ

因になっているものの相同遺伝子が粘菌には存

れど、かねてから興味もあったしよく知っていた

在し、そのうちの幾つかは他のモデル生物には存粘菌である。2 年くらい武者修行してくるつもり

在 し な い (http://dictybase.org/: Glöckner et al.,で（ちょっと甘く見ていた）、基生研に籍をおい2002)。

たままイギリスへと出かけることになった。

粘菌を始めたきっかけ

困難を極めた転写因子のクローン化

そもそも学生実習のときにこの生き物を扱っ目的とする転写因子は子実体形成が始まるまたときから興味を持っていたのは事実である。たで移動体の先端領域に位置する PstA 細胞（図 1）だ、当時これを材料にするほどの魅力あるテーマという特定での発現を抑制するレポレッサーのには思えなかったので、高等植物の方がよっぽど活性があり(Ceccarelli et al., 1991)、PKA によって興味があったのも事実である。それは岡崎に移っその抑制が解除されることが示されていたてからも同じであった。しかしながら、どんなテ(Harwood et al., 1992)。また、そのレプレッサーがーマでどんなものを材料にしていても、その分野結合するプロモター上の塩基配列もわかっていで世界のトップに立つ人の研究は何か違うといた(Harwood et al., 1993)。
ここまで条件が揃っているのだから、あとはしめたものである。常法に従って粛々と事を運ぶだけなので、２年もあれば余裕のはずである。ところが、サウスウエスタン法はうまくいかない。Onehybrid 法も 1 千万クローンをスクリーニ
ングしたのにも関わらず、特異的なもの

図２ ほ乳類と細胞性粘菌の STAT タンパク質の一次構造の比較。
(Williams, 1999)。STAT タンパク質の特徴的なモジュールとして C 末
端側に位置する SH2 ドメインがある。そのすぐ C 末端側のチロシン残基は活性化によるリン酸化と SH2 ドメインを介した２量体形成に必要である。このほか、中央には特徴的な DNA 結合ドメイン、そのN 末端側にはロイシンに富む領域がある。これらは、細胞性粘菌のSTAT にも見られるが、C 末端に存在する転写活性化領域は細胞性粘菌には見られない。

- 69 -

はとれてこない。袋小路に入ってしまった。ここまでで 3 年以上。当然、この間論文なしである。基生研のポストも既にない。
そのころ、別の pstO 細胞特異的な発現に必要な塩基配列が同定され、これに特- 分子から群集まで広視野研究をめざす -異的に結合する核内因子を同定することになっザーに相当する細胞が形成されないことである。

た。これは、少しの苦労で検出することに成功し、標的候補遺伝子の１つとして同定された aslA 遺

面白いことに今までさんざんとれなかったレプ

伝子はアセチル CoA 合成酵素の遺伝子に似ていレッサー配列にも特異的に結合することが判明るが、そのものではないようである。この遺伝子した(Kawata et al., 1996)。ここまで来たら、既には細胞性粘菌におけるオーガナイザーと考えら失うものは何も無し。半年以上もサンプルを集めれる細胞に特異的に発現し、今までにない発現パ

続け、ようやく生化学的に精製し、対応する cDNA

ターンを示した。この細胞は pstA core 細胞と命名

クローン及び遺伝子を得ることに成功した

さ れ 、 新 し い 細 胞 型 と し て 認 知 さ れ た ( 図 4,

(Kawata et al., 1997)。

Shimada et al, 2004c)。STATa 遺伝子を破壊するとこの遺伝子の発現が無くなるので、この細胞型は分化しない。STATa の細胞分化における役割を探最も原始的な SH2 シグナル

るうえで、貴重なマーカー遺伝子となることは間

驚くべきことに得られた転写因子は SH2 ドメ
インを有する STAT (signal transducer and activatorof transcription)であった（図 2）。そのころ、ようやくショウジョウバエにも STAT があるぞという話になった頃で、粘菌なんてと思われていたのでこの情報は瞬く間に世界中を駆け巡ってしまった（最初に見つかったこの細胞性粘菌の STAT は
現在 Dd-STATa と呼ばれている）。おそらく、最も原始的な SH2 シグナルと考えられている(Kawata
et al., 1997)。もともと、サイトカインシグナルの転写因子として同定されたもので、他の重要な多くの生物現象と関連している。例えば、アポトー
シス、細胞運動、ガン化との関わり合いが報告されている(Hou et al., 2002)。例えば、原腸陥入後にお け る 細 胞 運 動 に は STAT が 必 要 で あ る(Yamashita et al., 2002; 2004)。
詳細を話すと長くなるので、割愛させてもらうが、現在 STAT がどのようなシグナルとクロストークをするのかについて、非常に興味を持って解析している。まず、どのような遺伝子が標的になっているのだろうか？マイクロアレイによってピックアップされた遺伝子(Maeda et al., 2003)について in situ ハイブリダイジェションを行い、標的候補遺伝子を幾つか同定してみた（図 3）。これらについて幾つかは解析済みで(Shimada et al,
2004a; 2004c)、幾つかは現在も解析している。
上述の様々な機能との関連で特に注目されるのが、STATa 遺伝子破壊株においてはオーガナイ

図３ Dd-STATa 遺伝子破壊株において発現が消失または減少する遺伝子の例 (Shimada et al., 2004b)。野生株（Ax2）と Dd-STATa 遺伝子 破壊株に おける SSL238,
SSK395, SLC388 及び SSL558 遺伝子の発現パターンを in
situ ハイブリダイゼーションによって比較した。写真の af は Ax2 株の、g〜i は Dd-STATa 遺伝子破壊株の異なる発生時期に対応する。

- 70 -

植物科学の新展開

植物科学との接点粘菌に見られる多くの現象は後生動物の原始的なものと考えられる場合が多い。植物との接点は非常に少ない。セルロース関連遺伝子が粘菌には多くあって、それらの多くは STATa 依存的に発
現 す る こ と が 明 ら か に な っ た (Shimada et al.,2004a)。しかしながら、粘菌におけるセルロース（特に移動体期のもの）は、明らかに植物のものとは異なっている。むしろ、細胞運動のための足場としての細胞外マトリックスの役割が大きい
図４ 細胞性粘菌のメキシカンハット期における aslA
遺 伝 子 の 制 御 と pstAB core 細 胞 の 分 化 モ デ ル(Shimada et al., 2004c)。青で示した pstAB core アクティベーターが TAA を中心とした AT に富む配列に結合する。ピンク色で示した CCATGG 配列に結合する pstA
リプレッサーが存在し、aslA 遺伝子の pstA 細胞中での発現を抑えている。pstAB core アクティベーターは
pstA リプレッサーより優勢で抑制を解除すると考えられる。このほか、早い時期の予定柄細胞の発現に必要なアクティベーター（緑色）があって GG 配列に結合するものと想像される。Dd-STATa 遺伝子破壊株では、
pstAB core 細胞の分化は見られない。

と考えられる。
それでも、植物との接点を無理に考えてみることにする。実は、STAT は植物にも存在するらしい。その遺伝子に変異が入ると背丈が短くなって、
いわゆる「緑の革命」遺伝子の１つと考えられている。つまり、ジベレリンシグナル伝達経路に関係するらしい(Peng et al., 1999)。我々が単離した
多くの STAT 関連遺伝子は、植物にも存在する。
ジベレリンシグナルに関与するのだろうか？

違いない。
おわりに
進化的な考察STAT が細胞性粘菌で発見されるまで、この生最後に、今後の展望を考えてみたい。実は細胞性

き物は単なる下等な生き物という認識でしかな粘菌を研究材料に用いることの利点は、進化的なかった。STAT の発見によって、後生動物という考察にあるのかも知れない。STAT シグナル（あ線引きはどこからなのかという議論さえ生まれ

るいは SH2 シグナル）は多細胞生物にしか存在して来た(Darnell, 1997)。さらに、ゲノム科学の進歩ない。この転写因子と関連するシグナルを探ってによってこの生き物がヒトの疾患の研究のモデいくことで、多細胞生物出現の謎に少しでも迫れ

ル生物として欠くことが出来ないものであるこるかもしれない。多細胞生物の出現の時期は化石とが認識されて来た。植物科学の分野にどれだけからある程度推測されているが、なぜどのようにの貢献が出来るのかは不明であるが、粘菌を使っしてというところは全くわかっていない。

た発見によって様々な分野の研究に貢献できる

現在、STATa 部分破壊株を用いて、cDNA を染ことが夢である。

色体外で過剰発現させる系を確立し、形態が野生株に近くなるマルチコピーサプレッサー遺伝子

謝辞

を 10 数個単離することに成功した。おそらく世

本稿を書く機会を与えて下さった、「植物科学界で始めてと思われる。STAT そのものの機能との新展開−分子から群集まで広視野研究をめざいう点でも注目されるが、進化的な観点からも非す−」シンポジウム実行委員会（前島正義委員長）

常に興味深い遺伝子がとれてきた。

の皆様に感謝いたします。本稿に記された研究成- 71 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -果は、Jeffery G. Williams 教授（Imperial Cancer(2002)

Research Fund 及びロンドン大学 MRC 研究所、現

organisms: Emerging roles in cell movement. Dev.

英国 Dundee 大学）や当時の仲間、前田ミネ子先Cell, 3:765-778.

The

JAK/STAT

pathwayinmodel

生（大阪大学）、大畠明子先生（関西医科大学）

Jermyn, K.A., Duffy, K.T. and Williams, J.G. (1989) Aをはじめ、東邦大学で研究室を立ち上げるところ

new anatomy of the prestalk zone of Dictyostelium.

から一緒に行ってきた唯一の大学院生の島田さNature 340:144-146.

んや多くの卒業研究生の協力なしには得られま

Jermyn, K., Traynor, D., Williams, J. (1996) The

せんでした。この場を借りて全ての方に深く感謝

initiation of basal disc formation in Dictyostelium

いたします。

discoideum is an early event in culmination.
Development, 122:753-60.

参考文献

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Evidence that a combined activator-repressor

Ceccarelli, A., Mahbubani, H. and Williams, J.G.
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proteinregulating

differentiation. EMBO J, 15:3085-92.

stalk

cell

and

anterior-likecellregulates

Dictyostelium

stalk

cell

differentiation in Dictyostelium. Cell 65:983-989.

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Darnell, Jr., J.E. (1997) Phosphotyrosine signaling

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Baumgart, C., Parra, G., Abril, J.F., Guigo, R.,

Maeda, M., Sakamoto, H., Maruo, T., Ogihara, S.,

Kumpf, K., Tunggal, B., Cox, E., Quail, M.A.,

Iranfar, N., Fuller, D., Morio, T., Urushihara, H.,

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Harwood, A.J., Hopper, N.A., Simon, M.N., Driscoll,

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- 72 -

植物科学の新展開

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Yamashita, S., Miyagi, C., Fukada, T., Kagara, N.,
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LIVI controls epithelial -mesenchymal transition inzebrafish gastrula organizer. Nature, 429:298 - 302- 73 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -アクアポリンの分子生理生態学：それからの 10 年間
前島（名古屋大学正義
生命農学研究科）

はじめに

Diego の M. Chrispeels 教授から､「君の VM23 は､

それから 10 年半が過ぎた。北海道大学低温科

私たちが水チャネル（アクアポリン）であると証学研究所でお世話になったのは 1988 年から 1994

明した分子にきわめて似している」と言われた

年の 6 年間。それからの 10 年間は北大時代の研（Maurel et al. 1993）。私自身は何らかの膜輸送分

究の種を育てることであった。低温研着任時に､子であると推測したものの何を輸送するのかは

ヤエナリ実生を低温処理すると液胞膜プロトン

確定できず､水チャネルが存在することすら予想ポンプの機能障害が生ずるので､その原因を探るしえなかった。明晰な洞察力をもつ P. Agre 教授

研究課題を吉田先生より頂いた。松浦千絵さんがは 1990 年代の初めにこの分子がアクアポリンで+液 胞 膜 の H -ATPase を 担 当 し ､ 私 は H -あることを証明し､日本人研究者の支えもあり､

pyrophosphatase を担当させていただいた。分子の2003 年度のノーベル化学賞を受賞された（前島

顔・形がわからないと分子の量的増減もわからず､

2004）
。

+

分子のどこに故障が起きるのかもつかめない､とここでは精密装置としてのアクアポリンの特いうことで酵素の精製からスタートした。千絵さ徴､動物と比較した時の植物アクアポリンの特徴､んは､H+-ATPase の酵素合成量の減少もあるけれ

生理生態学的発展の可能性を紹介したい。

ど､酵素複合体の崩壊が低温下での活性低下の原因であることを突き止めた（Matsuura et al. 1990,

超高速輸送装置としてのアクアポリン

1992）。吉田先生は､多くの解析の上に､酵素傷害

アクアポリンは下記の性質をもつ。

の結果､細胞質のアシドーシスが生じ､低温障害（1）膜の内外に大きな浸透圧差がある場合､１分の主因であることを明確に証明され（Yoshida

子あたり毎秒 10〜30 億の水分子を透過させる。

1994, 1995)､画期的な概念として世界に受け入れ（2）アクアポリン経由の水の透過速度は浸透圧られた。

差に依存し､浸透圧の低い方から高い方向に水が私 の 担 当 し て い た H+-PPase （ Maeshima &移動する。輸送方向は固定されていない。
（3）明確なゲート（開閉する扉）はないと考え

Yoshida 1989）は､低温下でも比較的安定であり､酵素分子自身が安定であることが､その後のパッチクランプ法を用いた実験でも実証された。すな
わち､液胞型 H+-ATPase は酵素機能を発揮しつつ失活も進行するのに対し､H+-PPase は 2 時間以上､
酵 素 機 能 を 100 ％ 発 揮 し 続 け る こ と が で き る（Nakanishi et al. 2003）。
さて主題に戻る。私は H+-ATPase や H+-PPaseの精製過程で混入しやすい 23 kDa の液胞膜タン
パク質が気になり､これを精製して性質を発表したところ（Maeshima 1992）､来日した UC San

図１水チャネル模式図。Asn 残基部分が水を識別する。

- 74 -

植物科学の新展開

栄養組織では､γ型とδ型 TIP が主であり､ダイられる。しかしゲートの開閉とは異なる機能調節の可能性はある。

コン塊根やヤエナリ実生胚軸では液胞膜タンパ（4）輸送基質は水分子であるが､アクアポリン分

ク質の 30-40％を占める主要分子である。中でも子種の中にはグリセロール､尿素等を輸送するもγ型が多い。γ､δ型いずれも高い水チャネル機のもある。

能を発揮する。組織全般で発現しており､生理的な変動が少ない点も特徴である。

上記の機能を支える構造的基盤も明らかにな

一方､PIP は 1 型と 2 型に分けられる。1 型は成っている（図 1）（Murata et al. 2000）。

長段階での量的変動が少なく､塩・浸透圧ストレ植物アクアポリンの特徴

スでの変動も少ない。2 型は器官､成長段階で量的動物アクアポリンと比較して､植物アクアポリ

変動が大きく､ストレスにも敏感である。しかし､ンは次の特徴をもつ（Maeshima 2001）。i）分子種

具体的な発現組織は 1 型と区別がなく､形成層､維が多い､ii）タンパク質量として多い､iii）内膜系

管束周辺細胞などで顕著な蓄積がみられる。
1 型と 2 型の大きな差異は､その水チャネル機である液胞膜にも恒常的に発現している。
シロイヌナズナでは 35 種､トウモロコシでは能である。ダイコンの分子を酵母細胞に発現させ31 種存在し､ヒトの 13 種の 3 倍近い数であるて､水チャネル機能をストップドフロー分光光度（ Johansson et al. 2000, Johanson & Gustavsson

計で測定すると､2 型の 3 種はいずれも活性が高

2002）。植物アクアポリンは一次構造､局在性等かいのに対して､1 型はチャネル活性がきわめて低ら 4 つのグループに分けられる。すなわち､PIPい（図 2）。1 型にのみ共通なあるアミノ酸 1 つを（細胞膜型）､TIP（液胞膜型）､NIP (NOD26-likeprotein)､SIP (small, basic intrinsic protein)である。
NIP という名前の由来となっている NOD26 はダ
イズの根粒細胞に共生する根粒菌を包む包膜に局在する分子である。根粒のないシロイヌナズナにも 9 種存在し､その機能と局在について解析が進められている。SIP の知見はまだ少ない。それ
ぞれの分子種の個性を明らかにしなければならないが､基質の確定､細胞内局在の解析､遺伝子発現細胞の特定など､課題が多い。
当研究室でも NIP､
SIP の解析を始めたところである。

ダイコンアクアポリン研究の近況
私たちがこれまで対象にしてきた植物はダイコンである。その中の PIP 型を 6 種､TIP 型を 2 種
選び､細胞内局在､発現蓄積量の変動､細胞特異的な蓄積､環境に応答した量的変動､そして個々の機能を解析してきた（Higuchi et al. 1998, Fleurat et
図 2 ダイコンの細胞膜（PIP）と液胞膜（TIP）アクアポ
リンの水チャネル機能。各 DNA を酵母細胞で発現させ､膜画分を試料としてストップドフロー法で水透過率を測定した。記号の後ろの 1-1 などの数字は分子種を示す。縦軸の値が大きいほど水透過率が高い。Hg は水チャネル機能を阻害する。

al. 1997, Suga et al. 2001, 2002, 2003, Suga &Maeshima 2004, 須賀ら 2003）。詳しい紹介はできないので､ポイントを絞って紹介したい。

- 75 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -2 型タイプに置換すると水チャネル機能が顕著に（未発表）。乾燥耐性を獲得し保水機能を維持す

増大し､逆に､2 型にのみ共通するアミノ酸を 1 型るために､アクアポリンをごく少量に押さえていタイプに置換すると活性は著しく低下する。このるものと推測している。

ことは､ 1 型 PIP は構造的には水チャネルとして逆に､水性植物でもアクアポリンは少ない。シ

の特徴を保持しながらも､水チャネルとしては機ロイヌナズナの植物体は十分検出できるだけの能していない可能性を意味している。化学修飾にアクアポリンをもつが､その培養細胞ではきわめ

よるスイッチ ON 機構があるのだろうか？

酵母て少量しか蓄積しない（未発表）。植物は､水とのでは活性がないが､植物細胞では活性をしめすの関わり方によって､アクアポリンの量を厳密に調だろうか？

わずかな活性にこそ意味があるの節しているように見える。生理生態学的研究へのだろうか？

多くの疑問を抱えながら研究を進基盤になると信じている。

1 型については不明の点もあるが､2 型 PIP につアクアポリンの新しい局面めている。
昨年､アクアポリン機能が細胞質の pH によっ

いては､その量的変動が細胞膜の水透過率を大きて調節され､酸性環境化では活性が低下すること

く左右していることは間違いない。
もう一点の特徴は量的な多さである。細胞膜で（Tournaire-Roux et al. 2003）､さらに PIP の中のあも､膜タンパク質の 10%が PIP である。液胞膜でる分子種は CO2 を透過する可能性が高い（Uehlein

は原形質分離が生じない速やかな水移動が求め

et al. 2003）という報告が出た。後者の真偽はまだられる。細胞膜でもわずかな浸透圧差あるいは浸確定していないと考えているが､光合成機能に依透圧勾配を利用して､組織横断的な速やかな水の存する植物において､CO2 を輸送する分子として流れを確保しなくてはならない。水チャネルはあ

アクアポリンがクローズアップされている。

くまでも受動的な膜輸送装置であり､細胞膜にお

低温研でお世話になっている間に､佐藤利幸さける能動輸送系の活性は､動物に比べたら低い。

ん､露崎史朗さんから生態学的な見方の初歩を教

PIP がとくに多いのは維管束周辺細胞である。こえていただき､植物の耐冷性､耐寒性､耐凍性をア

れらの部位では道管､篩管と多量の水をやりとり

クアポリン分子から分析できるかも知れないとする。植物はわずかな浸透圧差を利用して速やか思うようになった。植物の水管理､つまり吸水､蒸に大量の水を透過させるために､チャネルの数を散､循環､保水､排水は､すべてではないにしても増やす道を選んだのだろうと推測する。

アクアポリンを介した水の移動が関わっている。
アクアポリン分子を指標として植物体内の水のアクアポリンの植物生理生態学

動きを推測できるのではと期待しても大きな間

アクアポリンをわずかしか発現蓄積しない植違いではないように推測している。

物 が あ る 。 CAM 植 物 で あ る 。 オ ボ ロ ヅ キ

アクアポリンを紹介しようとすれば１冊の本（Graptopetalum paraguayense）の多肉葉を分析すになり､私の力量を超えている。私も､新しい知見

ると､PIP, TI ともに著しく量が少ない。それを反を魅力的なオリジナル論文として発表し､皆さん

映して､この植物の細胞膜の水透過率もきわめてのご批判を頂けるようにしたい。

低い（Ohshima et al 2001）。その後､サボテン類も含めた他の CAM 植物を解析し､TIP と PIP の量の謝辞

少なさを確認した。一部の植物には PIP が比較的

北大低温研での 6 年間無くしては現在の研究展

多く検出されたが､さらに詳しく分析すると水チ開はあり得ませんでした。かけがえのない機会とャネル活性のない 1 型 PIP であることが判明した

ご指導をいただきました吉田静夫先生に感謝申- 76 -

植物科学の新展開し上げます。

translocating inorganic pyrophosphatase from

本稿で紹介しました最近のアクアポリン研究

mung bean. J. Biol. Chem. 264: 20068-20073.

は､名古屋大学生命農学研究科の須賀しのぶ（現Maeshima, M. (1992) Characterization of the major

岐阜県研究職員）と大学院生石川文義､小八重善

integral protein of vacuolar membrane. Plant

裕､水谷政博によるものです。また､村井麻理さん

Physiol. 98: 1248-1254.

（東北農業研究センター）にはプロトプラストで

Maeshima, M., Mimura, T. & Sato, T. (1994)の水チャネル活性測定と理論解析で大変お世話

Distribution of vacuolar H+-pyrophosphatase andになっています。なお､当細胞ダイナミクス研究

the membrane integral protein in a variety of+

室では､アクアポリン､H -PPase のほかに､液胞膜

green plants. Plant Cell Physiol. 35: 323-328.

Ca2+/H+ exchanger (Kamiya & Maeshima 2004)､Ca2+-

Maeshima, M. (2001) Tonoplast transporters:binding protein，Zn transporter などの研究も進めて

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いる。

Physiol. Plant Mol. Biol. 52: 469-497.
前島正義 (2004) ノーベル化学賞のスポットライ

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expressionof

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- 78 -

植物科学の新展開

高山多年生草本の休眠
吉江 文男（専修大学経済学部）

を も つ こ と が す で に わ か っ て い る （ Yoshie &はじめにYoshida 1989）。

植物は生育不適期に生長停止（休眠）し、凍害や乾燥害から身を守っている。この生長停止の自高山には、夏緑性の半地中植物や地中植物の他

律性の強さ（自発休眠の深さ）は、暖地の植物ににも、常緑性の植物や地表植物など様々な季節型

比べ温帯などの寒冷地の植物で強い（自発休眠がと生活形を示す多年草が見られる。休眠の深さを深い）ことが知られている（Larcher 1980）。寒冷これらの植物群で比較することで、高山でも休眠

地植物の休眠が深いのは、秋に生長しても低温のの深さが耐凍性に依存したものかどうかを明らために凍害を受け易くまた光合成も十分に行え

かにすることができる。

ないためと考えられる。このように考えると、高高山多年草の生活形組成は生育地によって異山では温度条件が極めて厳しいために、植物が秋なることがわかっている（Yoshie 2002）。温帯でに生長するメリットはなく、温帯植物に比べそのは休眠の深さと生長―休眠のリズムが生育地で自発休眠は深いと予想されるかもしれない。しか異なる事が知られており、このリズムは生育地のし、高山多年草の中には、耐凍性が非常に高いも環境条件に適応的な性質と考えられているのや、また氷点下で光合成を行うものも知られて（Yoshie & Yoshida 1989; Yoshie 1995）。本稿では、いる（Körner & Larcher 1988）。このような耐凍性

高山多年草の休眠と季節型や生活形との関係、おの高い植物は凍害を受けにくいので、必ずしも深よび休眠と生育地との関係について調査した結い休眠を発達させる必要はないように思える。で果を中心に述べる。

は、本当に高山に生育する多年生草本の自発休眠
材料と方法の深さは耐凍性と関係するのだろうか。
もし、休眠の深さが耐凍性に大きく規定される

北アルプス奥大日岳、南アルプス仙丈岳、大雪

なら、休眠の深さは耐凍性の指標となる形質と関山系黒岳の森林限界以上の標高に生育する多年係するはずである。地上シュート軸の季節型とラ生草本から、清水（1982, 1983）に基づき、礫地

ウンキエール（1934）の生活形は多年草の耐凍性（砂礫地、岩礫地、岩場など）、草原、そして森の指標となる形質である。毎年地上部を作り換え

林限界の林床、という 3 つの生育地の少なくとも

る夏緑性のシュートは、何年も生き続ける常緑性

いずれか 1 つを好む植物 68 種を選定した。これのシュートに比べその耐凍性は低い。また、休眠

らの植物の生活形と地上シュート軸の季節型に芽の耐凍性は、低温に直接さらされる地表植物でついては現地調査により、また休眠状態、休眠芽

最も高く、低温からよく保護された
地中植物で最も低く、半地中植物が両者の中間の耐凍性をもっている（Till 1956; 吉江・酒井 1981）。そして、温帯では夏緑性の地中植物が夏
緑性の半地中植物より深い自発休眠<14 日
15-28 日29-65 日＞250 日全種 (68)
0

20

40

60

80

100

図 1 高山多年草の生長再開に要する日数。横軸の単位は％、括弧内は種数を表す。以下の図でも同じ。

- 79 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -の構造については実験室に持ち帰り調査した。調査は 1991 年から 1994 年にかけて行った。

常緑

夏緑

40

60

地表植物 (20)

実験材料の採取は、気象条件とフェノロジ−の違いを考慮し、大雪山黒岳では 9 月下旬に、本州

半地中植物 (39)

北アルプスと南アルプスでは 10 月下旬に行った。
地中植物 (9)材料は実験室に持ち帰って鉢植えした後、24℃で0

16 時間の長日条件下に制御した恒温器で栽培し、36 週間の間、休眠芽の開芽または伸長量を調査し

図４

20

80

100

生活形別に見た地上シュート軸の季節型。

た。そして、自発休眠の深さは休眠芽の生長再開<14 日
15-28 日に要する日数で表した。

29-65 日＞250 日常緑／地表 (19)

休眠の深さは季節型と生活形で異なる
秋に採取した植物を 24℃の長日条件で培養す

常緑／半地中 (7)ると、最も早い植物では１週間以内に生長を再開

夏緑／半地中 (32)

し、最も遅い植物では 250 日経っても生長を再開

夏緑／地中 (9)しない。前者は浅い自発休眠（強制休眠）を、後
0

者は深い自発休眠をもつ。そして両者の間には様々な休眠の深さを示す植物が認められた（図 1）。
休眠の浅い植物は花茎を正常に伸長し正常に

図５

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60

80

100

季節型／生活形別にみた生長再開に要する日数。

開花するものの割合が高かった（図 2）。また、休眠の深さは冬芽の構造（Yoshie 1998）とも密接に開花した種
開花しなかった種関係する。冬芽は芽鱗に被われるものとそうでないものに分かれるが、通常の葉と異なる芽鱗が分<14日 (19)化するには比較的深い自発休眠が必要だろう。実15-28日 (18)

際、休眠の深い植物ほど冬芽が芽鱗に被われているものの割合が高かった（図 3）。

29-65日 (23)地上シュート軸の季節型と生活形は密接に関>250日 (10)係する。地中植物は全て夏緑性、地表植物は 1 種
0

図２

20

40

60

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100

を除く全てが常緑性、そして半地中植物では夏緑性のものが常緑性のものより多かった（図 4）。そ生長再開に要する日数と開花との関係。

のため両者を組み合わせた 4 つの植物群で休眠を比較した。その結果、常緑地表植物の休眠が最も芽鱗をもたない種
芽鱗をもつ種

浅く、常緑半地中植物、夏緑半地中植物と続き、
夏緑地中植物の休眠が最も深かった（図 5）。

<14日 (19)

先に述べたように、植物の耐凍性は夏緑地中植

15-28日 (18)物で最も弱く、次いで夏緑半地中植物、常緑半地

29-65日 (23)

中植物と続き、常緑地表植物で最も強い。したが>250日 (10)って、得られた結果は耐凍性が低い植物ほど休眠

0
図３

20

40

60

80

が深くなることを示している。温帯で得られた結100果（Yoshie & Yoshida 1989）を考え合わせれば、生長再開に要する日数と芽鱗分化との関係。

- 80 -

植物科学の新展開

自発休眠の深さが耐寒性によって大きく規定さ低い標高の安定した栄養条件のよい立地に見られているということは間違いないと思われる。

れる。そのため、地上シュート軸を毎年作り替え
る夏緑性というぜいたくなやり方が許される。
夏緑植物の中でも、地中植物は耐凍性が低いた

休眠の深さは生育地で異なる
休眠の深さは生育地の好みによって変わり、森め、秋に生長して凍害を受けないように、休眠を林を好む植物では休眠の深いものが、礫地を好む

深くする必要がある。地中植物が林床に多くみら

植物では休眠の浅いものが、そして草原を好む植れるのも、この弱い耐寒性に関係するように思え物では両者の中間的な休眠の深さを示すものがる。冷温帯林で見られた（吉江・酒井 1981）よう多かった（図 6）。この違いは、礫地を好む植物でに、林床の落葉層は地中温度の低下を緩和する。

は常緑地表植物が、草原を好む植物では夏緑半地

そのため、耐寒性の弱い地中植物でも生き残れる中植物が、そして林床を好む植物には夏緑地中植と考えられる。その結果として、林床を好む植物物が多いことと関係する（図 7）。そして、この結の休眠は深い傾向を示すのだろう。

果は、休眠の深さに関係する季節型や生活形が生

礫地は高山でも生育期間の短い標高の高い所

育地の環境条件に左右される形質であることをや雪解けの遅い所に多く見られ、その土壌は貧栄示している。

養である。こうした低い生産環境では、一度作っ森林限界の林床や草原で夏緑植物が多いのはた地上シュート軸を長く使用する（常緑化する）

その高い生産環境と関係すると考えられる。こうことが乏しい資源の効率的な利用（節約）につなした群落は高山でも比較的長い生育期間をもつがる。低い生産環境条件では常緑葉をもつ植物の割合が増えることや、常緑植物の葉の寿命が伸び<14 日
15-28 日ることがすでに知られており、資源の効率的な利29-65 日＞250 日用や葉の構築コストの回収に有利なためと説明されている（Chapin 1980; Kudo 1991）。草本植物

砂礫地 (23)では、この地上シュート軸の常緑化が、休眠芽を砂礫地/草原 (14)地表にもつ地表植物という形態を導くと考えら

草原 (26)れる。そして、この常緑地表植物が獲得した高い耐寒性に支えられて浅い休眠という性質が発達

林床 (5)し得たと思われる。
0

図６

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100

生育地別にみた生長再開に要する日数。

常緑／地表
夏緑／地表
常緑／半地中浅い休眠は生育期間の短い高山で有利である
浅い休眠は高い耐寒性だけによって生じてい夏緑／半地中夏緑／地中るのだろうか。地表植物の割合は標高が上がるとともに増えることがよく知られている（Raunkiaer1934）。つまり、得られた結果は標高が上がるに砂礫地 (23)

つれて休眠の浅い植物が増えることを示してい
砂礫地/草原 (14)る。高山植物の休眠については、雪解けが遅い所に生 育 す る植 物 の 休 眠が 浅 い こ とが 知 ら れ る

草原 (26)（Rübel 1925, Sørensen 1941 から引用）。標高が上

林床 (5)

がると生育期間は短くなるし、これは雪解けの遅
0
図７

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生育地別にみた季節型／生活形組成。

- 81 -

い所でも同じである。高山植物の生長は生育期間

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -の短さによって大きく制限されるので、この短いた光合成の研究にもご支援とご指導を頂いた吉生育期間をいかにうまく利用できるかが生存の

田静夫先生に深く感謝いたします。

ための 1 つの鍵になっているのだろう。その点、浅い休眠（強制休眠）という性質は、例えわずか

参考文献

な期間ではあっても秋の温暖な気候条件を臨機

Chapin, F. S. III. (1980) The mineral nutrition of wild

応変に利用して少しでも長く生長できるという

plants. Annu. Rev. Ecol. Syst. 11:233-260.

利点をもつ。生育期間の短縮は、浅い休眠を発達

Körner, C. and W. Larcher (1988) Plant life in cold

させる環境要因の一つであるように思える。

climates.

地表植物の割合は緯度の増加に伴っても増え

In：Plants and Temperature (ed. S. P.

Long and F. I. Woodward), The Company of

ることが知られている（Raunkiaer 1934）。Sørensen

Biologists, Cambridge.

（1941）のグリーンランドの植物の研究を多年草

Kudo, G. (1991) Effect of snow-free duration on leafについて分析すると、北方に分布する種や雪田種

life-span of four alpine plant species. Can. J. Bot.

では、地表植物、常緑植物、芽鱗を分化しない植

70:1684-1688.

物の割合が増えることがわかる。これらの報告を

Larcher, W. (1980) Physiological Plant Ecology.

今回の結果と照らし合わせると、ツンドラにおいSprinegr-Verlag, Berlin.

ても、緯度の増加と融雪の遅れによる生育期間のRaunkiaer, C. (1934) The life forms of plants and短縮に伴い休眠の浅い植物が増えることが示唆

statistical plant geography. Clarendon Press,

される。

Oxford.
Rübel,

おわりにE.

(1925)

Alpenmatten

–

Über

winterungsstadien. Veröffentlichungen Geobot. Inst.

ラウンキエールの生活形は寒さや乾燥からのRübel, Bd. 3 (Schröter Festschrift), Zürich.
清水建美 (1982) 原色新日本高山植物図鑑（I）保休眠芽の回避程度を表す生活形で、数ある生活形

育社.

の中で今も広く使われている。しかし、研究を始

清水建美 (1983)原色新日本高山植物図鑑（II）保めた頃の私には、生活形組成によって表される植育社.

物気候や植物群落の構造が何を意味するのか今
一つ頭の中でしっくり来なかったし、とてももど

Sørensen, T. (1941) Temperature relations and

かしい感じがしていた。今思えば、それは生活形

phenology of the northeast Greenland floweringと植物の生理的な性質との対応関係が十分にわ

plants. Medd. Grønl. 125:1-304.

かっていなかったことが原因であった。その点で、

Till, O. (1956) Über die frosthärte von Pflanzen

生活形は耐凍性だけでなく、耐凍性を通して自発

summergrüner Laubwärder. Flora, 143:499-542.

休眠の深さを表す指標にもなるということが理

吉江文男・酒井昭（1981） 生活形と生育地との解できたのは、一つの収穫であったと考えている。

関係からみた植物の耐寒性。日本生態学会誌
31：395-404.

謝辞

Yoshie, F. and S. Yoshida (1989) Wintering forms of

本稿を書く機会を与えて下さった、「植物科学perennial herbs in the cool temperate regions ofの新展開-分子から群集まで広視野研究をめざす」
シンポジウム実行委員会（委員長

Japan. Can. J. Bot. 67:3563-3569.

前島正義）各

Yoshie, F. (1995) Interhabitat variation in growth

位に感謝いたします。また、苫小牧演習林で行っ

characteristics of temperate herbaceous perennials.

た生活形と休眠の研究だけでなく、当時行っていCan. J. Bot. 73:735-745.

- 82 -

植物科学の新展開

Yoshie, F. (1998) Observation of wintering forms andwinter bud structures of alpine perennial foirbs.
Bull. Assoc. Nat. Sci., Senshu Univ. 29:29-52.
Yoshie, F. (2002) Note on life-form spectrum of alpine
perennial forbs. Bull. Inst. Nat.Sci., Senshu Univ.
33:57-64.

- 83 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -種子が目覚めるとき：発芽を促すジベレリンの作用
鷲尾 健司
(北海道大

大学院地球環境科学研究科

環境分子生物学講座)

老化抑制など多岐にわたる。近年、日本のグルー

はじめに
修士課程の 2 年間を、低温科学研究所・吉田静プを中心とした、GA にまつわる合成・代謝経路

夫研究室で学んだ。当時の吉田研究室は、先代のの精力的な解析により、植物の生活史における当からの移行期にあり、人の出入りが激しい上に学

該ホルモンの計画的な消長の全貌が明らかにさ生の数は少なく、実質的な研究活動は、吉田先生

れつつある（Ogawa et al., 2003; Sakamoto et al.,

個人の力量だけに頼らざるを得ない状況にあっ2004）。これらの知見によれば、GA は単に成長のた。そのような中、短い期間ではあったが、実に節目で決められた働きをするのではなく、内的制充実した日々を過ごさせて頂いた。元来、淡泊な御因子や外環境からの刺激が鋭敏に GA の合成・性格のため人と深く接することはなく、将来の計

代謝系を誘起して、生体内での限局的な活性 GA

画など熟考することはなかった自分だが、吉田先レベルを変化させることにより、植物の発生や生生の熱心な指導のもと、密度の濃い研究生活を送長を調節するとされている（Hay et al., 2002）。まるうち、否応なくこの世界に身を置くことになった、他のホルモン、例えばオーキシンやエチレン

た。

が特異的に関わる生理反応でも、その実行段階で

その後、研究の場を北大・理学研究科に移し、は、最終的に GA の作用系を介することが知られ現在、同・地球環境科学研究科に所属する身分でている（Fu and Harberd, 2003; Vriezen et al., 2004）。

あるが、その間、数々の著名な研究者と行動を共つまり GA は、植物が示すおおよそすべての生長にし、その研究室の運営にも携わった。しかし、反応に必須の植物ホルモンであり、その実作用は、

低温科学研究所で味わったような充足感を得る

様々な生体情報が統合された後の、実質的な生長ことは未だない。かような純粋極まる研究者集団実行であると定義できる。

に一瞬でも所属できたことは、自らの研究人生に比較的単純な化学構造からなる生体物質が、どおける至宝でもある。この機会に、吉田研究室をのようにして複雑な生命反応につながるのかと離れた後の私の研究成果を紹介するとともに、そいう疑問は、生物学を専門とする者にとって、との根底に流れる、物事を多角的に捉え、根源までても興味深い問題である。また、成長段階や組織追求するという、吉田イズムの片鱗を感じてもらを問わず、普遍的に成長を促進する GA の作用は、えれば幸いである。
ジベレリンとは何か？
ジベレリン（GA）は、ent-gibberellan を基本骨格とするジテルペンの一族で、植物の発生や生体機能を制御する 7 種の植物ホルモンのうちの 1 つである（図１）。GA の一般作用は、シュート生長、特に無傷植物の全体的な生長促進とされ、開花促
進、種子や芽の休眠打破、単為結実の誘起、葉の図 1 ジベレリンの基本構造。ジベレリンは 20 個の炭素からなる ent-gibberellan 骨格を基本とし、それに様々な修飾が加えられた化合物の総称である。

- 84 -

植物科学の新展開

作物の増産性とも密接に関連する。これらの背景されている。我々人類は、この穀実のもつ高い栄のもと、我々のグループでは GA の作用が顕著で養価、更には長期保存性や、運搬性、風味などのある種子発芽の促進効果に注目し、これを維持す利点から、全世界で主食として広く栽培している。

る生体ネットワークを明らかにすることで、GA

穀物種子の形態的な特徴としては、まず胚発生をの作用プログラムの基本を把握して、植物の成長終えた幼植物体が存在する、そして種子形成の過原理の理解に資することを目的としている。

程で子葉の一枚から派生してできる固い壁状の胚盤組織（scuttelum）がある。これらをまとめて胚（embryo）と呼ぶ。この胚を保護し、囲うよう発芽を促すジベレリンの作用
コムギ、イネ、トウモロコシなどの穀類（cereals）にして胚乳組織が発達する。胚乳は、被子植物のの種子は穀実（grain）とも呼ばれ、発達した内胚

重複受精の結果生じる胚の保護器官であるが、栄乳を持つのが特徴となる（図 2A）。内胚乳には、養分の貯蔵器官であると共に、発芽プログラムを発芽後、胚の成長を補助する栄養分が豊富に貯蔵担う重要な役割も持っている。内胚乳を構成する細胞は、受精後、貯蔵栄養分を蓄積しながら活発な細胞分裂を繰り返した後、プログ
ラム細胞死様の挙動を示して枯死する。しかしながら、その外層に分化する糊粉層組織（aleurone layer）は、内胚乳が枯死した
後も依然として生き長らえて、発芽プログ
ラムに参与する。
種子吸水後、発芽胚でおこる活性 GA レ
ベルの一過的な上昇は、胚盤における高レ
ベルの GA の合成を促す。合成された GAは維管束を伝って糊粉層に到達し、加水分解酵素群の de novo の合成を誘導する。誘導された酵素群は内胚乳に分泌され、そこに蓄えた栄養物質の分解に関与する。そして、易動化した栄養分は胚盤を通じて胚に供給され、結果として発芽を促進する。この穀物種子の GA による発芽促進効果は、
近代植物生理学の発祥以来から知られる生理現象であり、シニア向けの教科書でもよく目にする。長い歴史の中で多くの研究者が参画し、有益な学術情報が蓄積された
結果、GA の派生箇所、作用点、そして具体的な生理作用が詳細に理解され、ホルモンの作用を研究する上で、とても優れたモ

図 2 イネ種子の構造と糊粉層細胞。
A. http://www.riceweb.org/Plant.htm より転記、改訂した。イネ種子は、大まかに分けて、将来植物体になる胚と、その成長を補助する胚乳器官からなる。B. イネ種子糊粉層より単離したプロトプラスト。細
胞内には多数のデンプン顆粒が観察される。

- 85 -

デル系となった。
GA の標的となる糊粉層細胞は、植物ホ
ルモンの刺激に対して一元的に応答する。

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -図 2B に、イネ・糊粉層より単離したプロトプラ

発芽種子・糊粉層での GA 誘導性を獲得したと解ストを示した。GA の拮抗ホルモンである ABA 存

釈されている（Whittier et al., 1987）。

在下では、条件さえ良ければこの細胞は、3 ヶ月

同一の作用系から報告された豊富な GA 誘導性

程度は生存する。ひとたび GA が作用すると、細遺伝子のプロモーター情報は、共通シス配列の同胞内に見られる多数のデンプン顆粒は融合して、定を容易にした。報告された穀物種子の GA 誘導巨大な central vacuole へと変化する。そして猛烈

性 遺 伝 子 の す べ て は 、 TAACAA/GA 配 列 とな加水分解酵素群の発現を伴いながら、わずか 1

pyrimidine box と呼ばれる一組の配列を必ず持ち週間程度でプログラム細胞死様の挙動を示して合わせていた（Huang et al., 1990）。TAACAA/GA

死滅する（Bethke et al., 1999）。このように糊粉層

配列は、単 独で一般的 なプロモー ターであ る

組織の運命は、2 つのホルモンにより細胞レベル

CaMV35S プロモーターに GA 応答性を付加できで二者択一的に制御されている。

る た め 、 GA 応 答 性 に 必 須 の 配 列 、 GARE
（gibberellic acids responsive element）、として認知ジベレリンによる発芽促進の分子機構された（Skriver et al., 1991）。この配列は、動物系

穀物種子で、GA が発現誘導をかけるもっとも代の転写因子のグループである Myb protein の DNA

表的なものに、炭水化物分解酵素である α-amylase

認識配列と類似性があったので、糊粉層で発現しがある。最大誘導時には、全 mRNA の 20%を占ている Myb protein を探索する研究がなされた。

め、産生されるタンパク質は、総タンパク質量のそして、自らが GA 誘導性を示し、実際に GARE

6 割を越える（Higgins et al., 1982）。そのため、αに結合して標的遺伝子の転写活性化を行う Myb-amylase をコードする遺伝子は、初期の植物分子

protein、GAMYB（GA regulated Myb related protein）、

生物学者にとって格好の遺伝子クローニングのが同定された（Gubler et al., 1995）。この転写活性対象と成り得た。様々な穀物植物からα-amylase

化因子は、最近行われた遺伝子破壊実験により、遺伝子族の構造決定がなされ、それらの遺伝子の発芽過程だけではなく、他の GA が関与する成長発現調節機構の解析が始まりつつある状況で、こ過程にも関与することが実証され（Kaneko et al.,の分野での私の研究活動が始まった。

2004）、更に穀物以外の植物、例えば Arabidopsis

イネを材料として、GA により発現誘導を受けにも機能相同物が見出されることから（Gocal etる遺伝子産物を探した結果、ペプチド分解酵素でal., 2001）、GA の作用を普遍的に担う機能因子である carboxypeptidase 遺伝子を同定した（Washio and Ishikawa, 1992）。この遺伝子は、ゲノム内で小遺伝子族を形成しており、その中でも特定のメンバーが糊粉層特異的な GA による発現誘導を受けることが分かった（Washio and Ishikawa, 1994）。
これは、他の加水分解酵素でも同様に見られる遺伝子編成の傾向である。GA 誘導
性 遺 伝 子 の 5’ 調 節 領 域 周 辺 に は 、transposable element 様の配列が存在し、転位の痕跡が見られることから、ある特定のメンバーが共通の制御配列を持つことにより GA 情報伝達系との連携が生じ、

図３ イネ糊粉層 GA 誘導性遺伝子の発現。A. 組織特異的発現。B. ホルモン応答性。C. ジベレリン濃度依存性。GAMyb と OsDof3 の発現が一致すると、標的遺伝子であるα-amylase 遺伝子（RAmy1A）の発現が顕著になるのが分かる。

- 86 -

植物科学の新展開

ター上で、常に近接して観察される事実を考慮しあると考えられている。
もう一つの配列である pyrimidine box についてて、同定された Dof protein（OsDOF3）が GAMYB

は、我々のグループが、深く関与することになっの機能性パートナーであると想定した。両者の関た。Pyrimidine box は、単独での GA 応答性を示係を調べたところ、タンパク質間相互作用を介しさず、その欠損によってホルモン応答性が若干低た物理的な会合と、標的遺伝子の転写活性化にお下するので、ホルモン応答に対する補助的な役割

ける共役効果が確認され、OsDOF3 は、GAMYBが推定されていた（Gubler et al., 1992; Hooley,の組織特異的な共役因子であると結論した

1994）。DNA 結合能を指標にした発現スクリーニ（Washio, 2003; 図 3A）。

ングにより、pyrimidine box を特異的に認識する

興味深いことに、OsDof3 gene の発現を調べる

糊粉層タンパク質を同定できた（Washio, 2001）。

と、GAMyb gene と同様に GA による発現調節をそのタンパク質は、植物特異的な転写因子である

受けていることが分かった（図 3B）。しかし、GA

Dof protein であった。Dof protein は、比較的小さの濃度要求性が異なり、GAMyb は低い濃度から応な分子量からなり、1 つの zinc finger motif を持つ

答するのに、OsDof3 は高い濃度にしか反応しなかDNA 結合性タンパク質である。植物ゲノム内でった（図 3C）。この結果は、糊粉層での GA の作

小遺伝子族を形成しており、様々な植物の生理反用に１つの解釈を与えてくれる。胚盤由来の高濃

応 に 関 与 す る 事 が 知 ら れ て い る （ Yanagisawa,

度の GA が、糊粉層に持続的に作用することによ2002）。Dof protein の作用特性は、単独での遺伝

り high response gene である OsDof3 の発現が促さ

子発現調節ではなく、他の因子との共同作業で多れ、既存の GAMyb の機能と共役的に会合するこ

彩な生体調節を行うことにある。GARE 配列ととにより転写ユニットが形成され、標的遺伝子のpyrimidine box が加水分解酵素遺伝子のプロモー高レベルな発現が可能になると解釈できる（図4A）。また、GAMyb は、糊粉層以外の組織での GA の作用にも関与する（Kaneko
et al., 2004）。低レベルの GA でも発現できる GAMYB は、他の組織では OsDOF3とは異なる補助因子との共同作業で、糊粉層とは異なる遺伝子セットの発現を制御しているのであろう（図 4B）。
あたかも GA に直接誘導されているかに見えた加水分解酵素遺伝子の発現であるが、よく調べてみると、実際は GA の作用で初発的に発現してくる初期反応遺伝子（primary response gene）の機能に支えられた、2 次的な反応であることが分かった。植物の生活史における GA の多面的な作用の 1 つの要因として、ホルモ

図４ GAMYB と OsDOF3 による糊粉層特異的な転写装置の構築。A.
GAMYB と OsDOF3 は、DNA 結合性とお互いのタンパク質間相互作用により、加水分解酵素遺伝子プロモーター上で会合でき、特異的な転写ユニットを形成する。B. 他の組織では、GAMYB を中心として
糊粉層とは異なる転写装置が構築される。その標的遺伝子候補としては、花器官の形成に関与する LEAFY（Gocal et al., 2001）、細胞伸長を促す Expansin（Lee et al., 2001）などがあげられている。

- 87 -

ンの濃度効果に基づいた初期反応遺伝子
間の機能相関が重要であるとの確証を得たが、真の意味でのホルモンによる遺伝
子発現制御のしくみを知ろうとするなら、

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -初期反応遺伝子そのものの発現機構を調べる必

homeotic gene である AG（Deyholos and Sieburth,

要性が浮上してきた。

2000; Hong et al., 2003）、花芽形成の中心抑制因子である FLC（He et al., 2003）で詳細な解析がなされている。いずれの遺伝子でも intron enhancer が種子が目覚めるとき
糊粉層での GA の作用は、組織特異的である。

その遺伝子の発現特性を決定するが、注目すべき

根やシュートに外から高濃度の GA を与えても、ことに、そこには遺伝子領域を核内のクロマチン

GAMyb や α-Amylase 遺伝子の発現が顕著になる構造の中に押し込め、静的な状態に保つための情ことは決してない。このことは、組織学的な要因、報が存在するらしい（Jacobsen et al., 2000; Sheldon

胚盤組織からの豊富な GA の供給だけではなく

et al., 2002）。Large intron は、イントロンとしての（Kaneko et al., 2002）、標的組織の特性、糊粉層細一般的な役割とは別に、積極的な遺伝子修飾によ胞の GA に対する高い感受性が、この組織でのる遺伝子領域の不活性化（gene silencing）にも関GA の作用に必要であることを示唆する。初期反与する可能性がある（Bastow et al., 2004）。これら

応遺伝子の発現解析を進めるうち、この問題に対の知見を踏まえると、GA が作用して最初におこする 1 つの解答が見えてきた。即ちそれは、GAる核内イベントとは、初期反応遺伝子の単なる転はどうやって種子を目覚めさせるのか？という写反応の活性化ではなく、静的な状態にある遺伝

問いにも直結するものであった。

子領域の可動化と、動的な状態への移行であると推察できる。

GA 初期反応遺伝子のホルモン応答性は、通常の遺伝子で考えられるような、5’上流域のプロモ

一方、遺伝子修飾と糊粉層を含む胚乳組織とのーター活性には依存していなかった。様々な調節

間には、遺伝学的に深い関係が存在する。被子植部位が遺伝子領域全体に存在しており、お互いに物の重複受精では、花粉からできる精核の 1 つは、連携してその発現を支えていた（unpublished data）。

卵と受精して胚をつくる。もう 1 つの精核は、2

特に留意すべき点は、長大な 1st intron に検出されつの極核と受精して胚乳へと発育する。極核を含た enhancer 作用である。Intron enhancer に関する

む中心細胞では、維持型の DNA メチル化（メチ報告例は少ないが、花器官の形成に関わる重要なル化された C 残基の情報が、DNA 複製時にその図 5 Interchromatin compartment model に基づく、発芽遺伝子の発現機構の解釈。基本的な考え方は、
Williams（2003）に従う。緑は凝縮した chromatin の subdomain を表す。不活性な遺伝子は、この領域に未知の抑制力により拘束されている（tethering）。発現に至るためには、この拘束を断ち切り、RNA
合成酵素や転写因子、スプライシング酵素に富む、chromatin 間隙に移動しなければならない。円の大きさは、遺伝子領域の活性の度合いを示す。

- 88 -

植物科学の新展開

まま受け継がれる反応）が解除されている念に基づくと、種子発芽過程での GA の作用につ（Gehring et al., 2004）。この現象の真意は定かでいて、次のような仮説が成立する。

はないが、メチル化レベルの変化により、FWA な

通常の組織では、発芽に関与する初期反応遺伝

ど通常の組織では不活性で発現できない子は、核内の不活性領域に拘束状態にある。そのimprinting genes の抑制が解除され、種子形成に貢ため GA が作用しても発現することはない（図 5A、献することが知られている（Kinoshita et al., 2004）。

c）。しかしながら、不活性領域との親和性の弱い

この現象は、やがて枯死する胚乳組織に限定されGAMyb は、少しは発現できる状態にある（図 5A、たものなので、決して次世代には遺伝しない。そa-b）。胚乳由来の糊粉層組織では、維持型の DNAのためと呼ばれる。この遺伝

メチル化などの抑制作用が予め解除されていて、現象の、種子形成以降、発芽過程での効果は不明

潜在的に活性状態にある。そして、GA が作用すである。しかし、ゲノム DNA のメチル化状態をると残りの抑制作用も解除され、両遺伝子の高レ

調べる 1 つの方法である bisulfite sequencing 法で、ベルの発現が可能となる（図 5B、a-b、c-d）。つGA 初期反応遺伝子周辺の DNA メチル化状態をまり、発芽に関与する遺伝プログラムは、種子を調べてみると、発芽種子の胚と胚乳（糊粉層）で形成する過程で概ね完了しており、GA は、浅いも、メチル化状態に明確な違いがあることが分か

眠りの発芽遺伝子に作用して、目覚めさせるだけった。さらに、GA の作用による局所的な修飾状の働きをする。この考えは、分子遺伝学的解析の態の変化も検出している（unpublished data）。現時

成果として提唱されている、GA 作用の抑制因子

点では、観察された DNA メチル化状態の変化と、である DELLA protein の機能解除を中心とした、遺伝子発現との直接の関連性を述べることはで

今現在、最も有力な GA の作業モデルである relief

きない。しかし、DNA のメチル化修飾が、遺伝of restrain” model の基本構想を支持するものであ子の発現に対して抑制的であるという一般的概る（図 6；Silverstone et al., 2001）。

one-way control

今後の研究計画としては、GA 初期
反応遺伝子の静的な状態の形成と維持に関わる機能因子の特定を進めるとともに、GA の情報伝達系との接点を求めて研究を進めて行く。GA 情報伝達系が、如何にして核内の深層にある不活性領域にアクセスして、正確に標的遺伝子の抑制を解除できるのか？ということが興味の対象となろう。一連の研究成果をもとに、GA 作用の基本的なメカニズムを把握して、種子発芽以外の植物が示す生命反応にも応用してみたいと思っている。
図６ ジベレリン情報伝達系の作業モデル。GA の作用は、通常抑制状態にある。細胞膜上にある受容体が、活性 GA を認識すると、その情報伝達系の末端で抑制因子である DELLA protein の機能を解除して、GA の作用が発動する。Arabidopsis では、5 種類の DELLA protein が、冗長性を保ちながら機能分担して、その生活史を支えている。イネでは、ただ 1 種類の DELLA protein（SLR1）が、すべての GA の作用を制御する（Ikeda etal., 2001）。

- 89 -

広視野研究をめざして
地球環境科学研究科という総合応
用科学を基盤とする機関に属してい
ると、自分の研究が世の中の役に立つ

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -のか？という自問に毎日直面する。発芽という現「研究目標はなるべく高く持ちなさい。目標に至象に限っても、現代育種の現場では様々な問題がることがなくても、その過程で様々に実験が派生生じている。早い周期でめぐる作物出荷により、するのが面白いんだよ。」という言葉にも通じる

本来植物が持っていた遺伝プログラムに異変がものがある。我々がまだ知らない、植物本来がもおこり、穀物種子の休眠性は年々浅くなっている。

つ生命プログラムを理解することにより、植物応

そのため穂発芽や未熟発芽を起こしやすくなり、用の分野に新たな切り口を提供できたら格別で深刻な問題となっている。ジベレリンという植物

あると、実験の手を少し休め、外の景色に目を移

ホルモン自体は、作物育成に有用であることは疑しながら考えている。

いない。近代農業で主要穀物の生産性を激増させ謝辞

たのは、GA による草丈調節を改変した半矮性品種の導入であったのは、周知の事実である（Peng

本稿を書く機会を与えて下さった、「植物科学et al., 1999）。この偉業は「緑の革命」と称えられ、の新展開・分子から群集まで広視野研究をめざ

半矮性コムギの育成者である N. Borlaug は、そのす」シンポジウム実行委員（委員長 前島正義）

功績により 1970 年にノーベル平和賞を授与されの皆様に感謝いたします。また、私が研究を始めている。この人はまだ健在で、2002 年に米国のる導引となった北海道大学修士課程時代の指導

Denver で開催された米国植物科学会での特別講教官である吉田静夫先生に深く感謝いたします。

演で、その肉声を聞くことができた。
参考文献

その講演では、主に途上国で続く慢性的な人口増加のため、今世紀半ばには全世界の人口は 80

Bastow. R., Mylne. J.S., Lister. C., Lippman. Z.,

億人を越えると予想される。これに伴い、主要作

Martienssen. R.A., Dean. C. (2004) Vernalization

物の 40％強の増産が必須であろうと推定されてrequires epigenetic silencing of FLC by histone

いる。期待される、第２の「緑の革命」では、単

methylation. Nature 427:164-167に作物の生産性を増大させるだけではなく、改変

Bethke. P.C., Lonsdale. J.E., Fath. A., Jones. R.L.

品種の質的な洗練や、地球環境問題の考慮、更に(1999) Hormonally regulated programmed cellは全世界での均等な作物配分が不可欠であるとdeath in barley aleurone cells. Plant Cell 11:1033-

いうことなどを、熱く語っていた記憶がある。老1046

齢を感じさせない、しっかりとした口調と思考力

Deyholos. M.K., Sieburth. L.E. (2000) Separableにも感心したが、何よりも「緑の革命」という偉

whorl-specific expression and negative regulation

業が、決して実験室レベルで偶発的に生まれたもby enhancer elements within the AGAMOUSのではなく、多くの人々の協議の中で緻密に計画

second intron. Plant Cell 12:1799-1810

された、世界的な学術プロジェクトであったこと

Fu. X., Harberd. N.P. (2003) Auxin promotesに感銘を受けた。

Arabidopsis root growth by modulating gibberellin

自分の研究が世界を救うなどと、軽はずみな妄response. Nature 421:740-743

想を抱くほど若くはないが、いざ第２の「緑の革Gehring. M., Choi. Y., Fischer. R.L. (2004) Imprinting

命」という壮大なテーマを心の中に密かに掲げたand seed development. Plant Cell 16:S203-S213

時、多くの人々の批判に耐え、世の中にたくさん

Gocal. G.F.W., Sheldon. C.C., Gubler. F., Moritz. T.,の協議を生むような、完成度の高い説得力のあるBagnall. D.J., MacMillan. C.P., Li. S.F., Parish.

研究を目指して行きたいという決心が生まれる。

R.W., Dennis. E.S., Weigel. D. et al., (2001)

これは、私の修士課程時代に吉田先生が語られた

GAMYB-like genes, flowering, and gibberellin- 90 -

植物科学の新展開

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植物科学の新展開

石の下にも 20 年
- 埋土種子研究の進展状況 露崎 史朗(北海道大学 大学院地球環境科学研究科)

移機構を明らかにすることを目標に、現在は研究

はじめに
撹乱(disturbance)は、生態学分野では「物理的環を進めているつもりでいる。遷移研究を始める事境に起因した群集構造を突然変化させる壊滅的の発端は、1983 年に北海道大学理学部分類学講座

な事象」と定義される(White 1979)。ただし、そので卒論研究として「有珠山山頂部における植物

物理的環境を変化させる原因が生物的環境によ相」を調べたことである。今後のことを考え、植る場合も含めた意味で用いることが多い。多くの物相を調べるだけでは群集レベルの変化を知る

火山噴火は、大規模攪乱の代表格にあげられる。
他にも、様々なスケールの攪乱があり、比較的大規模なものでは火災や台風等を、小規模なものでは人を含めた動物による踏みつけ等をあげることができる。これらの攪乱が起こった直後から、植物は様々な手段を用いて攪乱を受けた所へ侵入・定着を始める。その後、環境と種間関係の変化から、定着している種の構成が変化する。その一連の過程を遷移あるいは生態遷移と呼ぶ。火山における遷移に限定した場合には、そこにおける遷移を火山遷移と呼ぶ。
火山遷移初期における群集構造変化やその遷移機構については、露崎(2001)の総説があるので、そちらを参照して欲しい。だが、遷移初期段階は、調査できる場所も期間も限られるため遷移様式
をはじめとする群集構造の時間軸に沿った変化には様々なものがあり、遷移機構にいたっては不明の部分がまだまだ残されているのも事実である。ここでは、遷移初期に植物の種子が「どこからどのように」やってくるのか、という、これがなくては(植物が供給されていなくては)遷移は始
まらない、という部分を中心に自分の体験を踏まえて話を進めたい。
1977-78 年有珠山噴火 (さー、やるぞ!)
火山遷移機構を、さらには、できれば全ての遷

図 1. 主調査地である有珠山概観。A: 有珠山山頂部。OUsu = 大有珠。Ko-Usu = 小有珠。Cb = 火口原。B: 1983年に設置し現在まで調査されている永久調査区の配置様式。黒丸がガリー(gully)内部を白丸がガリー外部の調査区を表す。番号は 2 本の調査線のうち 1 本の方での調査区番号。Somma = 外輪山。調査区 1-4 は砂防工事により調査区 6-7 の一部はアカエゾマツ植林により破壊された。C:
有珠山火口原断面模式図。EG = 旧表土(former topsoil, 噴
火前に存在していた土壌)の出現したガリー。OG: ガリー
外部。CG: 噴火堆積物(volcanic deposits)に覆われ旧表土の出現していないガリー内部。噴火 10 年後に旧表土を採取した場所では噴火堆積物の厚さが 65-140 cm であった。
(露崎 原図)- 93 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -雨や融雪の際に動く。したがって、土壌栄養が乏しいことは共通しているが、植物は、噴火後も地表移動という継続した攪乱を受ける噴火堆積物
上と、地表面はほとんど動かない溶岩上では、侵入した植物は、それらの環境適応様式が大きく異なる。例えば、噴火降灰物の移動に絶えるためには、軟弱な地下部しか発達できない植物は定着できない。
有珠山噴火は、軽石・火山灰が噴火による噴出物の主体であり、調査を始めた 1983 年においてもなお大きな地表面の変動が認められた。特に、侵食によるガリー(gully, 雨裂と訳す人もいる)形成が顕著であった(図 1)。大きなガリーでは、その侵食が噴火以前に形成されていた土壌(former
topsoil, 旧表土)に達しているものも認められた。
図 2. 1977-78 年噴火後の大有珠北西斜面を 1986 年(上)と1998 年(下)で撮影したもの。1986 年の写真に見える枯れ木は全て 1977-78 年噴火により枯死したもの。永久調査区は、この下部に設置した(図 1 参照)。1998 年の写真に見える手前の針葉樹は営林署が植えたアカエゾマツ、尾根右手見える薄緑の部分は牧草が吹き付けられたところ。
日本では、自然回復に関する研究適地が、このようにして消滅していく。(露崎 撮影)

有珠山における埋土種子 (発芽せよ!)
火山においても植物が侵入するには、噴火前から生存していた埋土種子や、地下茎等による栄養繁殖が無視できないスケールで回復に寄与している(Tsuyuzaki 1987)。なお、埋土種子とは、ある
地面あるいは土中に存在しているが発芽していには不十分なため火口原に調査区を設定し記録ない種子すべてのことを指す。1980 年に大噴火をを開始した(図 1)。

した米国セントへレンズ山でもこの特徴は一致

有珠山は、事前に見事な噴火予測がなされたする(Walker & del Moral 2003)。とりわけ、旧表土

2000 年噴火が最近のものとして有名である。有珠の出現したガリーでは旧表土の出現していない

山の噴火周期は数 10 年程度で、2000 年噴火の 1

ガリーには見られない種が 10 種以上認められた。

つ前には、噴火規模が 2000 年噴火規模を遥かにそれらの植物は、1 年生草本が多く、種子の長距上回る大噴火を 1977 年から 1978 年にかけて行っ

離散布は無理な形態のものが多かった。となると、ている。その 1977-78 年噴火被害を受けた場所でこれらの種子は旧表土中に存在していたに違い調査を始めたわけである。それから現在まで 20ない、ということまでは予測がつく。しかし、最年以上にわたりそれらの永久調査区を中心に調後までてこずったのが、これら埋土種子集団起源査を行ってきた(図 2)。

の種を決めることであった。

火山噴火様式を、植物の立場になって噴出物を埋土種子起源の種を直接同定するには、発芽実もとに区分するならば、溶岩主体のものと、火山

験をすれば良いと当初は簡単に考えていた。しか灰・軽石のような噴火降灰物(噴火堆積物)主体のし、最初の発芽実験は散々だった(Tsuyuzaki 1989)。

ものの 2 つに分けることができる。両者の大きな手当たり次第に噴火前の土を掘り起こし実験室

違いは、溶岩は冷え固まればほとんど動かないが、に持ち帰り、鉢に移し水を与えても、わずか 5 種

噴火堆積物は噴火が収まってからも地表面が降しか発芽しなかった。10 種以上が埋土種子起源で- 94 -

植物科学の新展開

表 1. 埋土種子集団の調査方法の比較。(露崎(1990)を改変)
発芽試験法*

直接検鏡法

篩選別法

比重選別法

方法

温室等にてトレイ上に採取した土壌を散布し適宜水を与え種子の発芽を待つ

ビノキュラ下で土壌を観察し種子を見つけたらソーティング
する

当たりをつけた種子サイズより大きな目と小さな目の篩を用意し、その 2 つの篩の間に種子が集まるようにする

高比重溶液に土壌を溶かし種子を浮上さ
せる

長所

操作容易

操作容易

比較的操作容易

処理速い

処理早い

回収率高い

処理できる量が非常に少ない

全ての種子を集めるのは困難(特に小さい種子)

操作やや複雑高い

サンプルに依存

非常に高い

短所

長時間必要(通常数ヶ月)
全ての種子が発芽するとは
限らない

回収率
*

低い

Ter Heerdt, et al. (1996)は、推定される最小サイズ種子より目の細かい篩を用いて、種子の入っていないと考えられる土壌を発芽実験に使用しないことにより、処理する土壌量を減らすことを提案した。

ないと辻褄は合わない。そこで、別な方法で旧表かった。しかし、塩溶液にどの程度種子をつけて土中の種子を取り出す必要があると考えた。集めいると種子に明らかなダメージが表れるかが全た文献を整理すると大きく 4 通りの方法があった

く分からなかった。当時、自分は北海道大学大学(表 1)。この中でも、埋土種子集団全体を扱う場

院理学研究科博士後期課程の学生で、指導教官で合には、比重選別法が回収率に優れることに気づあった吉田静夫先生から、種子発芽率が K2CO3いた。しかし、プロトタイプといえるこの方法のにどの程度つけると影響を受けるかを発芽率を最初のものは、容器内に土壌を入れ、それに高濃用いて示すこと、それ以下の時間で土壌を処理で度塩溶液を注ぎ浮上を待ち上澄みを濾過するときるように方法を改善すればよい、という示唆をいうもので、処理に時間がかかることも欠点では受けた。そこで、K2CO3 に種子を 0, 1.5, 3.0, 6.0 時

あるが、さらに長時間塩漬けになることで、種子間つけ、発芽率がどの程度低下するかを観察したが死亡する、発芽異常等の種子への負の影響が懸(Tsuyuzaki 1993)。その結果、十分給水させた種子

念された。

では、たとえ 1.5 時間でも発芽率を低下させる種が多いことを確認し、種子を K2CO3 につけている

埋土種子集団の同定 (これでどうだ?)

時間は 1.5 時間では長すぎることが分かった。従1987 年は、1977-78 年有珠山噴火開始から 10

来の比重選別法では、土壌を K2CO3 中に入れ攪拌年目という人間にとってはキレの良い年であり、した後に、種子およびその他有機物が自然に浮上

大々的に噴火前の土壌(旧表土)を採取し、それかするのを待ち、その種子の浮いた上澄みを濾過しら埋土種子集団を抽出することを目論んだ。問題

種子を抽出する。浮上は気長に待つしかなく、こは、埋土種子抽出方法、即ち比重選別法の改善策

れでは比重選別法処理時間の短縮は到底できなである。これができないと次のステップに行けない。

い。

そのとき吉田先生から、遠心を用いれば土壌を比重選別法は通常、高濃度塩溶液、その代表と素早く沈殿させることにより土壌と有機物を分して 50%炭酸カリウム溶液(以降 K2CO3)、を種子離させることができるが、事前に種子に遠心の影

浮上のために使う。比重は 1.54 と極めて高く、種響がでるかどうかを確認しておくこと、という示

子に全くダメージを与えないのは無理なことと唆を受けた。そこで、遠心の影響は種子発芽率にして、可能な限りダメージを減らす方法を考えた

ほとんど影響がないことをまず確認し、土壌沈降- 95 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -を遠心により行うこととした(図 3) (Tsuyuzaki

土壌サンプル1994)。この方法は、現在でも試行錯誤を繰り返し

50% K2CO3 溶液 (比重 1.54)

ながら細かな改良を続けており、現時点の方法な

攪拌(3-6 分) a

ら K2CO3 に種子が浸かっている時間は 15 分程度

遠心 (4000 g 以上になれば止めてよい) b

まで短縮されている。(しかし、そのため低温遠心器の上澄み

遠心ローター1 つを、お釈迦様一歩手前にしてしまったよ

吸引濾過

うな気がする。以降は卓上遠心器のみを使用している)。

方法も決まり、いよいよ、1987 年春に旧表土を浮上した種子を含む有機物を 2 層のミラクロス上で濾過 c

6 個所から 50 cm × 50 cm × 10 cm (縦 × 横 × 厚

ビノキュラ下にて種子をソーティング

さ)に切り取り低温科学研究所植物凍害科学部門

種子サンプル

実験室に持ち帰った。今改めて計算すると、1 個の土壌の塊が 25 l、総計 150 l の土を処理したことになる(今では信じられん)。全ての処理には数ヶ月を要したが、最終的には 25 種(うち未同定 7 種)の種子を得ることができた(Tsuyuzaki 1989)。それ
らの種の多くは、やはり旧表土の出現したガリー(図 1 の EG)にのみ特異的に出現する種であった。

図 3. 改良された比重選別法(Tsuyuzaki 1994 を元に作成改変)。個人的には、「遠心浮上法」と呼んで欲しい。a: 最
初の頃は、スターラーを用いて攪拌を行ったが、噴火後20 年を経過した有珠山旧表土中埋土種子組成調査からプロペラシャフトを使って攪拌している。その場合、攪拌時
間は 5 分以下で十分である。b: 卓上遠心器を使う場合には、スイッチを入れてからローターが止まるまで数分程度となる。c: 濾紙を 3 層にして行っていたが、途中からミラクロスに変えた。また、この過程でミラクロス上の有機物を十分に洗浄することができる。

同時に、有珠山における 1 年生草本のほとんどが埋土種子起源であることも明らかとなった発芽試験は、発芽に光を必要とする種子(光発芽種子)を十分に発芽させるため、サンプル土壌をで(Tsuyuzaki 1990)。
噴火後 20 年にあたる 1998 年に旧表土を採取し、きるだけ薄くして行う必要がある。土壌の厚さが遠心浮上法および発芽試験法により埋土種子集

数センチメートルになると、厚すぎて土壌内部に団を調べたところ少なくとも 22 種の種子が未だ光が十分に届かず光発芽種子は休眠状態のまま

旧表土中で生存していた(Tsuyuzaki & Goto 2001)。

であり、数ミリ程度の厚さにするのが理想とされこれらの種子は、「石の下にも 20 年」生きていたる(図 5)。それでも、多くの種子の発芽が終了す種子である(正確には「軽石・火山灰の下にも 20

るには数ヶ月待つのが普通となる。また、実験ス

年」)。

ペースが不十分な場合には、1 度目の発芽試験が実験的に種子を瓶等につめ土壌中に埋め定期

終了した時点で土壌を十分攪拌し再び発芽実験

的に取り出すという人為環境下の実験は、ビールをするという煩雑な手続きを踏まざるを得ない。

博士(Dr. Beal)の実験という有名なものがあり、埋発芽試験は、1 年を必要とすることもある。

めてから 120 年を経過したものでも生きていたと

この膨大な場所と時間を必要とする大きな問いう報告がある(Telewski & Zeevaart 2002)。しかし、題を解消するために、土壌中に存在する最小種子

自然状態における種子の長期生存報告は、20 年でサイズが明らかな場合は、それより小さい目の篩も稀なようで、米国植物学雑誌の「石の下にも 20を用いて種子が入っていないと考えられる土壌年」論文が掲載された号のトピック欄に論文内容を除去した上で発芽実験を行う方法が提案されが紹介されていた(図 4)。こうなると「石の下にた(Ter Heerdt et al. 1996)。土壌粒形の細かい粘土も 30 年」をやらねばならないのだろうか。

質土壌では、発芽実験に要する土壌量を大幅に削減できるらしい。有珠でも噴火降灰物にはかなり発芽実験の逆襲 (発芽試験もやるか…)の火山灰が含まれ、そのようなことも可能かと考- 96 -

植物科学の新展開

A

1987 年の埋土種子調査では、大きな 6 つの土壌

Seed bank persistence under volcanic ashの塊を採取したが、統計的により正確な埋土種子

Tsuyuzaki and Goto report on the seed bank status in
topsoil of the crater basin 20 years after burial undervolcanic ash on Mount Usu, one of the most active
volcanoes in Japan, located on Hokkaido Island. They
present interesting data regarding natural storage ofseeds under volcanic ash, extend longevity records for anumber of species, and conclude that the seed bank will
persist longer with soil water content between 20 and
40%, no light, and low temperature fluctuations.

集団分布の推定を行うには小サンプルを数多くBの採土管を用いて約 60 個所から採取し、採取土採取する方が有効と言われるようになった(Gross
1990)。多くの研究が発芽試験法により行われていること、小サンプルを数多くとる必要があるという 2 点を踏まえ、噴火 20 年に行った旧表土中の埋土種子集団測定は 10 年前と方法を大きく変えた。
即ち、
深さ 1 m 以上のところの旧表土を 100 cc
壌を 2 分割し、片方を遠心浮上法に、もう片方を発芽試験法にかけ両者の比較を行った(IshikawaGoto & Tsuyuzaki 2004)。
結果としては、遠心浮上法は発芽試験法より多い

種数と種子数を得ることができ、数では遠心浮上法
図 4. A: 米国植物学会誌(American Journal of Botany) 88 巻
目次ページで”この号(In this issue)”に紹介された文章全文。
この文章は自分が書いた記憶はないが、自分が書いたもの
より要点が明確な気がする。B: 噴火 20 年後の旧表土中から遠心浮上法で抽出した埋土種子中の優占種であったエ
ゾノギシギシ(Rumex obtusifolius L.)の種子。

に軍配があがった。さらに、遠心浮上法で得た種の多くが発芽試験法では発芽しないこと、より小さな種
子は比重選別法ではあまり検出できず(悔しい!)、それぞれの方法には長所短所があることを示した。特に長期間埋土された種子は、強い非発芽状態となりつつ構造的に脆くなっているため、長期埋土種子集

えていた。ところが、篩を使用した時点で微小な団推定には単一方法を用いることは危険だといえ種子は逸出してしまうことが報告され(Traba et al.

る。

1998)、「ケシ粒」(実際はさらに小さな種子もあ

まとめてみると、野外における埋土種子集団をる)のような種子のあるところの土壌を篩処理す調べる際には、その種子の分布する土をどのようることは望ましくないことがわかった｡これらのにサンプリングするかというサンプリングデザ

論文を読んでいて気づいたことは、発芽試験法をインが第一の問題となる。ついで、どの方法で埋採用する人たちは、その欠点を知りつつも行って土種子集団推定を行うかが第二の問題となる。

いるという現状である。換言すれば、発芽試験法

発芽試験法のみでは絶対に検出することはでによる埋土種子推定は、かなりの誤差を含んでいきなかった「眠れる獅子(休眠したまま起きてこなることが、研究者間では暗黙の了解となっているい種子)」が、他の種子選別法により抽出できれば、気がしてならない。

これまでブラックボックスであった埋土種子集

これだけの問題を抱えているにも関わらず、多団の動態をより明らかにすることが可能となる

くの埋土種子集団研究が発芽試験のみによって(図 5)。これまで埋土種子集団中の種数や種子数行われている。その理由の 1 つに、海外の大学では、その場に新しく加わった数(加入数)と死亡数は広大な温室があるところが多い等、実験スペー

および発芽数の差から推定された。しかし、土壌スが十分な場合、容易でかつ大量の土壌処理が可中の休眠したまま発芽しない種子数を直接測定能なことがあげられる。

すれば良いようになる。
抽出された種子の休眠機構を明らかにせねば、

遠心浮上法 vs 発芽実験法 (仲良くしようぜ)- 97 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -生存要因や寿命決定要因、さらには、これらの埋等が発芽の促進あるいは抑制要因としてあげら

土種子がなぜそのような形質を獲得進化したのれてきた。

かを説明することはできない。遷移について初期

南アフリカ・西オーストラリア・カリフォルニに 1 年生植物が出現することは､このような種子

ア等の森林火災多発地域から、多くの種が煙誘導の休眠特性と大きく関係していると考えられる。

種子発芽(smoke-induced seed germination)という

しかし、有珠山ではエゾノギシギシ(図 4)を始め煙を浴びることによって発芽が促進される性質とする幾つかの種は、多年生草本であるにも関わを有することが報告された(Baskin & Baskin 1998)。

らず二次休眠状態であった。これらの種は、裸地

日本からは、このような発芽特性を有する種は未あるいは荒地に良く出現し、1 年生草本の進化を、報告であるが、日本に分布する種の幾つかが海外

そして遷移機構を知る糸口となるものなのかもで煙誘導発芽と報告されている(Adkins & Peters

知れない。

2001)。日本においても、森林火災は皆無ではないにも関わらず、日本の森林火災ではウルシのような熱発芽種子が注目されてきたが、今後、火災に今後の展望 (妖怪退治だ!)
埋土種子集団の特性は、生理的にも生態学的によって発生するもう一つの要因、煙の方を分離しも(図 5)、そして分子生物学的にも 1 要因で説明て研究を進めることが、生態系変化機構の解明にできるとは現状では思えない。温度と一口に言っは必要なのかもしれない。実は、煙誘導発芽が最ても、ウルシ(Rhus)の仲間に代表される高温に種

初に南アフリカで発見された報告は de Lange &子を暴露することにより発芽が促進されるもの

Boucher (1990)であり、それからまだ 15 年程度しや、よく知られるように北海道を始めとする四季

か経っていない。この発見は埋土種子の休眠特性がある地域の種の多くは春に発芽するには季節が多様であることの 1 つの証明でもあろう。

認識が必要である。その方法の一つとして、低温

2003 年秋から長期在外研究員の立場で西オーを体験せねば発芽を開始しないというものがあ

ストラリアを訪れる機会を得た。その際、実際にる(Baskin & Baskin 1998)。また、このような種で煙誘導発芽実験を見ることができた。見事なまでは春に発芽しないと夏には再び二次休眠に入るに無処理(対照)区土壌と煙処理区土壌では実生発という休眠サイクルも知られている。このように、生数に差があった。2004 年春には、西オーストラ

温度の意味は様々である。同様に、化学要因としリア州州都パース内にあるキングズパーク植物ては、酸素、二酸化炭素濃度、さらにはエチレン

科学実験施設の研究者達が、煙中の発芽促進物質を同定したと熱く語っていた(Flematti et al. 2004)。
野外での煙発芽促進方法としては、土壌に煙を直

光
化学要因
温度

低温
後熟

加入

接暴露する方法、煙を水中に通過させ発芽促進物
質を溶出させた水を散布する方法、がこれまで考案されている。発芽促進物質を特定できた今、こ

一次休眠

発芽

休眠解除

の発芽促進物質を直接散布することが計画され
ている。

死亡
季節温度

煙誘導発芽は、西オーストラリアではボーキサ
休眠サイクル

発芽阻害

イト採掘跡地において採掘時に表土を残し、そこに煙を浴びせることにより自生種の再生を促す

二次休眠といったような遷移的観点からみた生態系復元

死亡への応用が試みられている(図 6) (Roche et al.

図 5. かなり単純化された休眠を行う種子に関する休眠・発芽パターン変化。(Hilhorst & Karssen (2000)を改変)- 98 -

植物科学の新展開

A

C

B

D

図 6. 西オーストラリアのボーキサイト採掘地における復元の試み。A: ボーキサイト採掘直後の景観。アルミニウムは地表面近くに集積しているため発破をかけ表層のみを採掘する。B: ボーキサイト採掘直後の採掘跡地と未採掘地の境界。まさに、地表面を剥いでいる。採掘を始めたばかりの頃には、そのまま放置したところもあるが、現在では、表土を採掘前に回収しておき採掘後に元に戻す復元促進措置を通常行っている。さらに、必要に応じて植林や在来種の播種を行う。初期には植林主体であったが、徐々に播種主体に方法は移行した。C: 採掘後に復元処置を施し 7 年を経過した採掘跡地。適当に間引きを行い、それらに火をつけ人工火災を行った直後に撮影した。人工火災により、埋土種子の発芽を促進させ、より早い復元を試みている。2003 年が人工火災を始めて行ったとのことで、結果が出るのはまだまだ先になるだろう。D: 採掘を行っていない森林を撮影したもの。樹皮が黒いことから分かるように、天然林では頻繁に火災が発生しており、火災は西オーストラリアの生態系構造を決定する重要な要因である。復元目標は、この写真のよ
うな森林になることである。(露崎 撮影)

謝辞1997)。このように、一つの発見があると、その応用は目覚しい速度で進むことがある。さらなる

本稿を書く機会を与えて下さった、「植物科学

様々な種子休眠解除物質の発見や、その野外へのの新展開 -分子から群集まで広視野研究をめざす

応用へ発展していくことは疑いない。種子の発芽-」シンポジウム実行委員(委員長 前島正義)各位

特性は、妖怪変化のように多様な変身をするが、に感謝いたします。また、これまでの研究が行えこれを退治するためには、分子から群集までを含るきっかけを与えて下さった北海道大学博士課

めた広視野での研究が必要となることは間違い

程時代の指導教官である吉田静夫先生に深謝いない。

たします。西オーストラリアで煙誘導発芽の実際

なお、これらの内容は随時、以下のウェブページに公開していく予定であり、そちらをも参照されたい。
日本語ホームページ:
http://hosho.ees.hokudai.ac.jp/~tsuyu/index-j.html
英語ホームページ:
http://hosho.ees.hokudai.ac.jp/~tsuyu/index.html

を見ることができたのも、博士時代に起因するものがあるように思えてならない。
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- 100 -

植物科学の新展開

あ と が きオーストラリアに滞在中の露崎氏からはじめて電子メールが届いたのは5月中旬のことでした。それは、10月末にミニシンポジウムを開催するので是非出席して欲しいという内容でした。研究生活から離れて久しい一老人の私をわざわざ誘ってくれるのだから、きっと特別な意図が隠されていそうですので、すぐには返事をせずに露崎氏を悩ませて仕舞いました。ともあれ、もとの研究室の大勢の良き仲間と再会できる喜びと、そのごの研究展開について個々人から直接お話を伺える格別の期待感から、ついに出席するという返信メールを送って仕舞いました。
私自身は低温研に奉職して以来、植物の寒冷適応機構の生理生化学的な解明を中心に研究を進めたつもりですが、いつの間にか周囲には植物の生命現象の分子生物学的な解明を目指す方々のほかに、北方植物の生き様を生活史や生活型に着目しながら解き明かそうとする人々や、火山噴火後の植生回復と旧表土に埋もれた種子の役割に注目して研究する人など、個性豊かな面々が揃って研究室は活況を呈しておりました。ときには仲間同志で凄まじい激論が戦わされこともありましたが、概ね耳学を通してお互いの学問的好奇心が充足される日々も多かったのではないでしょうか。いま思いますと、お互いに非常に幅広い研究視野を育むことが出来たのではないかと思うのですが、その反面、大変まとまりに欠けた研究者集団であったのかも知れません。
かつて、同じ屋根の下で研究生活を共にした研究仲間が、それぞれ優れた能力を発揮して独自の研究領域を開拓し、その第一戦で活躍しておられることを知り非常に嬉しく思います。今後もさらなる大きな目標に向かって邁進されることを強く念願します。
最後に、このような素晴らしい機会を与えて下さる皆様方のご厚意に心底より感謝を申し上げます。
以上

2004年10月
吉田静夫- 101 -

- 分子から群集まで広視野研究をめざす -編集後記必要だろうが、大学教養等の生物学で「分子から群集まで」を扱う教科書として十分活用できるも本冊子は、シンポジウム「植物科学の新展開: 分のとなっていると思う。そればかりか、個々の報子から群集まで」の企画賛同者による投稿原稿で告は自分の研究をベースに、その分野での最先端構成されている。

部分をも紹介している。これらを包含し、かつ最ところで、本シンポジウム開催は、実は7年前か先端科学を目指す新展開を図るには、今まさに一ら決まっていたように思える。前島大会会長挨拶

同が一箇所に集まり議論するのも自然の流れだろ中にあるように、この冊子の執筆者は、多かれ少う。この力の源は、冊子中の随所に書かれている

なかれ、北海道大学 低温科学研究所植物凍害科学エピソードに起因しているのも確かである。私(露部門で吉田静夫先生に世話になった面々である。

崎)が、吉田先生の言葉で忘れられないのは、吉田先生が退官なされてから、はや7年が過ぎ、植「実験は失敗した時が一番楽しいねー」、

物凍害科学部門という名前は低温科学研究所からである。これが吉田先生の本音かどうかはさてお

いつの間にか消えてしまった。しかし、本冊子をいて、私は、学生が研究に行き詰まったように見読まれれば、その魂は縄張りを広げならが成長しえると良くこの話をし、そして自分にも言い聞かていることが分かる。さらに、この面子を集合させている。

せれば、「分子から群集まで」を包含した議論に

本当に最後になりましたが、企画から開催に至熱が入るのは必然なことも分かる。これだけ多様るまで、紙面が許さないほど多くの方のお世話にな人材を輩出した研究室は他には類を見ないのでなりました。皆様にこの場を借りて厚く御礼申しはなかろうか。そういう訳で、迷うことなく本冊上げます。7年後には、さらにすばらしい未来を、子のタイトルは、「植物科学の新展開 … 広視野

また皆で語れる場ができることを信じつつ筆を置研究をめざす」となった。

かせて頂きます。

改めて内容を読み直すと、大幅な構成の変更は(編集委員)

2004 年 10 月 29 日 発行
先端シンポジウム 植物科学の新展開 - 分子から群集まで広域視野研究をめざす -発行者
シンポジウム「植物科学の新展開」大会会長 前島正義
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名古屋大学生命農学研究科 細胞ダイナミクス研究室
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