宇宙環境を利⽤した植物研究の紹介
髙橋秀幸
宇宙実験 PEG-T―ウリ科植物の重⼒形態形成―

ウリ科植物の芽⽣えは発芽直後に、横に傾いた根と胚軸の境界域の下側にペグと呼ばれる突起を形成して、芽⽣えが種⽪から抜け出すのを助けます（図 1）。スペースシャトルによる宇宙実験 PEG-T によって、微⼩重⼒下では、ペグは境界域の両側に形成されますが、地球上では重⼒を感知することによって上側のペグ形成が抑制され、下側に 1 個のペグが形成されることがわかりました（図 2, 3）。これは、境界域の上側でオーキシンレベルが低下することに起因します（図 3）。このオーキシンの不均等分布に重⼒感受細胞の内⽪に局在するオーキシン輸送体（排出担体）の CsPIN1 が関与する可能性が⽰され、それを検証する宇宙実験 CsPINs が国際宇宙ステーションで実施されました（図４）。その結果、CsPIN1は重⼒応答性を⽰し、内⽪の原形質膜下側に局在することによって、オーキシンを上側から下側に輸送し、それが境界域の上側でオーキシン量を減少させる⼀因であると考えられました（図 5）。

図 1 キュウリ芽⽣えのペグ形成とその役割。上の枠内の写真は発芽後の主根の伸⻑とペグ形成（⾚⽮尻）を経時的に⽰しています。上段の写真では、種⽪を剥いだ状態で撮影。

枠内下段の写真では、ペグが下側の種⽪を押さえながら胚軸を伸⻑させる様⼦。その結果、芽⽣えは種⽪から抜け出し、種⽪はペグとともに⼟の中に残ります（下の写真）。種⼦の上下を反転させて発芽させても、ペグは胚軸と根の境界域の下側にできます。⽮印（⽩）は重⼒⽅向。

図 2 宇宙実験 PEG-T の概要。キュウリ乾燥種⼦をスポンジ（ベルイータ）またはロックウールに播種し、円柱状の透明容器にセットします（左上の写真）。スペースシャトル打ち上げ後、軌道上で給⽔し（右上の写真）、容器を BRIC と呼ばれる実験容器（⿊⾊で中は暗⿊）に収めて、船内で⽣育させます（左下の写真）。右中央の写真は、給⽔後ステージＢ（29.5 時間⽬）の芽⽣え。芽⽣えはステージ A, B, C の各段階で NASA 固定キット (KFT)を⽤いて化学固定し、地上に回収します（右下の写真）。

図 3 重⼒によるペグ形成のネガティブコントロールと、そのオーキシンによる制御。
宇宙実験の結果、微⼩重⼒下では、ペグが境界域の両側（⼦葉⾯）にされ、地上 1G 下では、境界域の上側でペグ形成が抑制されることがわかりました。これにより、重⼒による形態形成のネガティブコントロールの概念が⽣まれました。オーキシン動態の解析から、地上 1G下では、境界域の上側でオーキシン量が減少し、ペグ形成が抑制されることがわかりました（右の写真とモデル）。

図 4 宇宙⾶⾏⼠が国際宇宙ステーション‘きぼう’実験棟内で、キュウリ種⼦に吸⽔後、実験容器をキャニスターに⼊れ、それを細胞⽣物学実験装置 (CBEF) に取り付ける様⼦。
CBEF の上段が微⼩重⼒区になり、下段（写真でドアが開いているコンパートメント）は遠⼼⼒を利⽤した⼈⼯重⼒区になります。

図 5 宇宙実験 CsPINs（CsPIN1）の結果（左）と、それに基づくモデル（右）。微⼩重⼒下では、重⼒感受細胞の内⽪に発現するオーキシン輸送体 CsPIN1（緑⾊の擬似カラー）の局在に、明確な極性がみられません（A 左）。⼀⽅、宇宙で⼈⼯重⼒ 1G を 2 時間負荷すると、内⽪の CsPIN1 は原形質膜下側に局在を変化させます（A 右；⻩⾊⽮印）。したがって、1G 下（地上）では、内⽪をとおしてオーキシンを組織下側に輸送するルートの存在が⽰唆され (B) 、その結果、境界域の上側でオーキシンは減少し、ペグ形成が抑制されると考えられます (C)。
宇宙実験 Hydro Tropi と宇宙実験 CsPINs (CsPIN5)―根の⽔分屈性能の顕在化―

根は、⽔分勾配に応答して⾼⽔分側に屈曲伸⻑する⽔分屈性を発現するといわれていますが、その能⼒は明確に証明されていません。宇宙実験 PEG-T では、微⼩重⼒下で、キュウリ芽⽣えの側根が⽔を含む⽀持体に向かって伸びる現象がみられました（図６）。これは地上でクリノスタット回転によって重⼒屈性の発現を消去した場合にもみられ、微⼩重⼒下で重⼒屈性が不在になると⽔分屈性が発現しやすくなること、逆に地上 1G では重⼒屈性が⽔分屈性をマスクするように⼲渉することを⽰していると考えられました。そこで、宇宙実験 Hydro Tropi と宇宙実験 CsPINs によって、微⼩重⼒下で重⼒屈性と⽔分屈性を分離することを試みました（図 7）。その結果、微⼩重⼒区では、根（主根）が⾼⽔分側に屈曲伸⻑するのに対して、⼈⼯１G 区では⽔分勾配の存在下でも主根が重⼒⽅向にまっすぐに伸びることがわかりました（図 8）。また、このキュウリの根では、重⼒屈性の場合に類似して、オーキシンが低⽔分側に⽐較して⾼⽔分側で多くなり、屈曲することがわかりました。そのオーキシン再分布には、⽔分勾配に応答して変化するオーキシン輸送体 CsPIN5 の発現局在がかかわることも⽰唆されました（図 9）。ただし、重⼒屈性と違って、この⽔分屈性のためのオーキシン輸送・再分布には、根冠（コルメラ）を必要としません。このようにキュウ
リの根では、宇宙環境を利⽤することによって、地上では重⼒屈性によってマスクされている⽔分屈性を顕在化させることができます。これらの研究成果から根の有する⽔分屈性能がクローズアップされ、⽔分屈性の分⼦機構が解明されるきっかけになりました。低重⼒環境での植物栽培では、根の⽔分屈性能を利⽤して伸びる⽅向を制御し、効率的な⽔管理を可能にするでしょう。

図 6 宇宙微⼩重⼒下および地上クリノスタット上でのキュウリ根の伸⻑⽅向。上段・
左から：宇宙実験 PEG-T を実施した STS-95 ミッションのデカール、種⼦を差し込んだスポンジ（ベルイータ）を蓋裏⾯に貼り付けたプラスチック容器、ベルイータと反対側の⾯に飽和⾷塩⽔を含ませた濾紙を貼り付けて⽔分勾配を形成する容器（模式図）、3-D クリノスタット。中段・左：地上対照区では、側根が下に伸びる主根から⽔平⽅向に発⽣・伸⻑します。
下段・左：宇宙微⼩重⼒区では、伸⻑⽅向の定まらない主根から発⽣した側根が、⽔供給体のベルイータに向かって伸⻑します（⾚⽮尻）。中段・中央：地上静置区では、主根が下側に、側根が⽔平⽅向に伸びます。下段・中央：クリノスタット回転によって、主根の伸⻑⽅向が定まらず、側根は⽔供給体のベルイータに向かって伸⻑します（⻩⽮尻）。中段・右：
地上静置区では、⽔分勾配の存在下でも、主根は重⼒屈性によって下側に伸⻑します。下段・
右：クリノスタットで回転させると、主根が⾼⽔分側に（⽔供給体のベルイータに向かって）伸⻑します。このように、キュウリの根は、重⼒屈性不在の条件で、⽔分屈性を発現します。

図 7 宇宙実験 CsPINs の操作⼿順。地上でキュウリの乾燥種⼦をベルイータに挿⼊し、CsPINs 容器に取り付けます。それを軌道上で給⽔するためのシリンジと濾紙に⾷塩⽔を注⼊するためのシリンジ（注射器）、ならびにサンプルを化学固定するための器具 (KFT) とともに打ち上げます。国際宇宙ステーション‘きぼう’では、種⼦給⽔および⾷塩⽔注⼊の後、容器をカメラ付き計測ユニット (V-MEU) に⼊れて細胞⽣物学実験装置 CBEF に取り付けます。CBEF の下段は⼈⼯重⼒区として使⽤できます。実験中、地上からのコマンドで容器内の写真撮影や遠⼼機による⼈⼯重⼒負荷の操作を⾏います。⼀定の⽣育時間後に、サンプルを KFT に⼊れて化学固定し、回収まで冷蔵庫 (MELFI) で保管します。地上に回収されたサンプルは実験室に運ばれ、各種の解析に供試されます。

図 8

宇宙の微⼩重⼒区と⼈⼯重⼒ 1G 区におけるキュウリ根の⽔分勾配への応答。A

上・左：微⼩重⼒下で対⾯に NaCl 溶液を注⼊した濾紙を貼り付けて⽔分勾配を⼤きくした区。 A 上・右：微⼩重⼒下で対⾯濾紙に純⽔を注⼊して⽔分勾配を⽐較的⼩さくした区。
A 下・左：宇宙で⽮印⽅向に⼈⼯重⼒ 1G を負荷した⾷塩⽔区。A 下・右：宇宙で⽮印⽅向に⼈⼯重⼒ 1G を負荷した純⽔区。それぞれの区における根の屈曲⾓度 (B) と伸⻑ (C) の経時的変化。微⼩重⼒区では、根は⾷塩⽔区と純⽔区のいずれでも⾼⽔分側に屈曲しますが、その程度は前者で⼤きくみられます。⼈⼯ 1G 区では、根は⽔分勾配が存在しても重⼒⽅向に伸⻑します。

図 9 キュウリ根の⽔分屈性に果たすオーキシン動態の役割。多くのオーキシン誘導性遺伝⼦の発現が、根の低⽔分側に⽐較して⾼⽔分側で⾼く、オーキシンが⾼⽔分側に多く分布することを⽰しています (左・上)。根では⾼レベルのオーキシンが伸⻑を阻害することから、オーキシン不均等分布は（⾼オーキシンレベル側に）屈曲を誘導すると考えられています。これは重⼒屈性で、オーキシンが横になった根の下側に多く蓄積して下側への屈曲を誘導するのに類似しています。オーキシン輸送阻害剤の処理によってオーキシンの不均等分布を阻害すると、重⼒屈性の場合のように、⽔分屈性の発現は阻害されます（左・下）。
このオーキシンの不均等分布は、オーキシン輸送体 CsPIN5 によって確⽴されると考えられます。すなわち、CsPIN5 は根端の表⽪に発現し、細胞の基部側に局在することから、オーキシンを根の先端側から伸⻑帯側に輸送すると考えられます（中央写真・上下）。CsPIN5 の発現は、⽔分勾配に応答して低⽔分側で低下することがわかっています（右の模式図）。これは重⼒屈性のしくみに類似しますが、重⼒屈性の場合はオーキシンの不均等分布・根の屈曲に重⼒感受細胞のコルメラを必要とするのに対して、⽔分屈性は根冠・コルメラに依存しません。
宇宙実験 Plant Rotation―回旋転頭運動の重⼒応答依存性―

⽇本の園芸家に知られるシダレアサガオが垂れるのは、重⼒を感知する内⽪細胞の分化異常によって重⼒応答を失っていることに起因することが明らかになりました（図 10, 11）。

このシダレアサガオやイネの重⼒屈性突然変異体が明確な回旋転頭運動を⽰さないことを⾒出し、回旋転頭運動が重⼒応答に依存する可能性を⽰しました（図 11, 12）。そこで、宇宙の微⼩重⼒下と⼈⼯ 1G 下でイネを発芽させ、芽⽣えの回旋転頭運動を解析し、回旋転頭運動が重⼒応答に依存することを検証しました（図 13）。その結果、宇宙の微⼩重⼒下では回旋転頭運動が重⼒屈性⽋損変異体と同程度までに低下することが明らかになりました。
蔓性植物のアサガオは、この回旋転頭運動を原動⼒として⽀柱をよじ登ります。その回旋転頭運動の詳細なメカニズムはまだわかりませんが、果たして、蔓性植物の宇宙での成⻑はどうなるのでしょうか。

図 10 アサガオ（右）、イネ（左・上）、オオムギ（左・下）の重⼒屈性突然変異体。

図 11 シダレアサガオの重⼒応答変異原因遺伝⼦と回旋転頭運動の⽋損。重⼒屈性を⽋損したシダレアサガオは、重⼒感受細胞である内⽪（上段・左の⾚⽮尻）を正常に分化できません（上段・右）。その変異原因遺伝⼦は scarecrow (sgr) です（下段・左）。シダレアサガ
オは、回旋転頭運動も⽋損しています（下段・右）。この重⼒応答と回旋転頭運の⽋損は、遺伝的に連鎖しています。

図 12 イネの重⼒屈性突然変異体（もつれ⻲ノ尾; lazy1）の幼葉鞘の重⼒屈性と回旋転頭運動。野⽣型に較べ、突然変異体の幼葉鞘は⽣育初期に弱い重⼒屈性を⽰しますが、発育にともなって重⼒屈性能を消失します（上・中段）。野⽣型に較べ、突然変異体では回旋転頭運動も初期にわずかにみられる程度で、発育にともなってほぼ完全に失われます（下段）。図 13イネ幼葉鞘の回旋転頭運動の重⼒応答依存性を検証するための宇宙実験 PlantRotation。JAXA 植物実験ユニット(Plant Experiment Unit; PEU) に取り付けた容器内で成⻑する幼葉鞘。培地はロックウール。写真・左から：地上・暗⿊下にて⾚外線カメラで撮影(Ground 1g/ infrared)、地上で PEU 光照射システムを使って撮影 (Ground 1g)、宇宙の微⼩重⼒下で PEU 光照射システムを使って撮影 (Space μg)、宇宙の⼈⼯重⼒ 1G 下で PEU 光照射システムを使って撮影した写真 (Space 1g)。

参考⽂献

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