市街地に育成する植物の葉における光環境による光合成功率の違い : クロロフィル蛍光法による推定
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(2) . 北海道教育大学紀要 (自然科学編) 第52巻 第 1号 1 ) VO ISc i i iぢofEducat enc es 主山血doUDi on (Natura lofHo Jowma ‐1 vers ‐52 , No. 3年 9 月 平成 1 ber Septe l o c ー , 2001. 市街地に生育する植物の葉における光環境による光合成効率の違い -クロロフィ ル蛍光 法による推 定. 長. 谷. 昭. 北海道教育大学函館校生物学教室. i Di l … f c encyinLeavesof erencesofPhot osynthe悦c E佳i P1 ld近ons 鑓 the Urbzm Area: st山ct]豆ght Col amts Grown under Di E 雨 m 血 on by Chloroph可IF1uorescence M easurements. HASE 脇 ra l i 【 i勾 ofEduca t な直鑓doUni odate040一8567 l on,Ha l 【 s ver Depa鴫 mentofBi odateCamopus o o l諜 ,Ho ,Ha. Abstract. rban iency ofsun and shadeleaves ofplants 印ごown in the u二 i thet For assess111ent ofphotosy1 ce昼i c i. is ionofphotosystem ll (photos}mthes tmn yieldsofphotochemicalener鰯 convers area,theover副lqua i l lnuorescence measurements l ds ) weredeterm medbychlorophyl i ‐四]ey werel‐2-2.3t血]eshigherin e y ts ユ ー淳ospermsthzm insmlleavesofthose P1al shadeleaves of 街 .From theextremely ym,nospermsi紅ld an t wassuggestedthat i ldsh〕観bs low valuesofphotos第]thes syieldsinsmlleavesofsome herbs ,i ,al ,trees Lthoseplants ienc i l ineofphotosynthes Lthedec r tedin l edin ibi ion,whi se畳i c i t : “occur chresul ‐How‐ l立l photo i lat ively 団igherphotos第]thes lvedinsmlleavesof鶏卵mnospermsthをm inthose syields wereobse eve蔦 re i五c iencyofshadeleavesamongthe ice lethere wasnodi焦erenceinthephotos~鴎thet ofをm噂osperms ,whi ly higher photos) igbjicamt 7n‐ ized pla ts had s l l l IP1ants meas班ed.Ft鴫hermore,smlleaves ofnatwal a hi h t th tthe hi ies lce ofthese ive spec ldsthを皿 those ofnat ic yie thet モ リ ごee ofdominal gh de , w c sugges s a i i tyofphotosynthes sintheopen 五eld. rban a j r eamーaybepa靴lyduetothe 加ighcapac plants 節Ltheu;. は. じ. め. に. 植物は太陽光エネルギーを利用して光合成を行い独立栄養を営むと同時に, 食物連鎖を通して, 地球上の 多くの従属栄養生物の生存を支えている. しかし, 光環境は変動が激しい環境要因の一つであり, 昼光下で も, 季節, 時間, 天気そ して周 囲の物 理的・生物 的環境な どに よ っ て大 きく 変 わ り, 光合成有効照射 ) (PAR) の光量子密度に して3桁のオー ダーで違いが生 じる と 言 われ ている (寺島, 1999 . 従っ て植物 は, 慢性的な光不足状態から過剰で障害を受ける危険状態まで, 様々な光環境に適応しながら光合成活動を 9 ) 9 持続しなけれ ばならず, そのためには様々な適応機構を発達させる必要があった (浅田, 19 . 71.
(3) . 長. 谷. 昭. さて, 市街地に生育している身近な草本植物を観察してみると 日当たりの良い開放的な環境に生育して , いる陽生植物が圧倒的に多いが, このような植物のかなりな種類が 成長速度が遅くなるとはいえ 光量が , , 10分の 1~100分の 1以 下の 日 陰 に も 適 応 して 生 育 して い る ま た 一 本 の 木 を 観 察 して み て も 葉 の 生 え . , ,. ている位置によって大きく光環境に差がある にもかかわらず バランス良く葉は配置されており また日向 , , と日陰の葉における見か け上の生育の差はほとんど認められない また 人工的に栽培した場合には 本来 . , , 的に陽樹であろうが陰樹であろうが, 変わりなく成長可能である場合が多い . 以上のよう に, 道ばたや公園および庭などの人工的環境のもとにおいては 明らかに自然の生態系 におけ , るいわば 「教科書的」 な植物の生育パター ンや種構成と異なる場合が多く そのことは植物の持つ 環境 特 , , に光環境への適応力の大きさを端的に物語っていると言えよう ‐ そこで本研究では, このような植物の光環境への適応機構を 光合成効率の面から調べることを目的とし , て, 近 年広く 用 い ら れ始め ているク ロ ロ フィ ル蛍 光 法 を 試 みた ク ロロ フィ ル蛍 光 と は 光 合成系 の集 光 ア . , ンテ ナ にある ク ロ ロ フィ ル が 吸 収 した光 エ ネ ル ギー のう ち 余 分な エ ネ ル ギー を 熱 以 外 に蛍 光 と しても放 , , 出する 現 象 であ り (Krause a1 i ), 主 に, 光 化 学系 ロ に結 合 して いるク ロロ フィ ル が関与 して ・d we s , 1991 お り (Hor t t 副., 1996), 光 阻害 な どで反応 中心 に損 傷 がある 場 合や 二 酸化 炭素 固 定 による エ ネ ル on e ,. ギーの消費が滞った場合 (すなわち光合成効率が低下した場合) に 増加するとされている (Schr i be e r et , 須.,19 ) 9 4 . 前者の光 阻害の程度は, 暗黒化 において暗順応させた葉に, 強閃光を当てること により発生す る 蛍 光 を 測 定 す る こ と に よ り 推 定 可 能 で あ る (Schre ber a1 i 1d Ber ・d ry, 1977;Sc加eiber aI. Bi l ) r ge . 後者の光合成効率は, 正確には放射性標識した二酸化炭素を用いての炭酸固定速度の測定 , 1987 によって求めることになるが, 通常の光環境下 (明順応下) で特殊な光照射装置付きの分析器でクロロフィ ル蛍光を測定することにより, 光化学系nの光化学エネルギー変換の量子収率 (以下 光合成収率と略記す , る) として間接的に知ることが出来る (Gen方 et al ). 今 回は, ドイ ツ の He inz wa l z 社 の ポー タ ブ .,1989 ルクロロフィル蛍光分析装置 MINI -PAM を用 いて光合成収率を測定した結果, 予想通り, 植物の光環境へ の適応機構の一部を説明出来たので報告する‐. 材料と方法 植物材料 材料としては, 北海道函館市の市街地 中心部に位置する 北海道教育大学函館 校構内 (北緯41度47分25 , 秒, 東経1 40度44分40秒, 標高6m) に生育している, 30科5 2属55種の植物の葉を用いた. 草本はすべて被 子植物であり,,日当たりの良い陽地と日陰の陰地に生育している同種類の植物を重点的に調査対 象とした が, 科間や帰化植物と在来種との比較のため に 主に陽地に生育している多数の陽生草本植物も測定対象と , した. 木本では, 裸子植物 (すべて針葉樹) 4種と被子植物の喬木5種及 び潅木7種において 同じ木の日 , 向に存在する葉 (陽葉) と他の葉の日陰になり直接 には太陽光が当たらない葉 (陰葉) で測定した .. 測定時期および測定時における植物および葉の生育環境 光合成効率は, 葉の成長段階によって異なるとされている (小池 199 9 ) ので, 測定は成長が停止し成熟 , 段階に達した10月上旬の晴天日に集中的に行っ た. 日向における温度は16~18℃ 日陰における温度は1 3~ , 2 1 日 陰で は 5 ~50 mol 15℃, 光 合成 有 効 放 射(以 下 PAR と 略記)は 日 向 で は500~80oumo lpho tonsm‐ s- u , , ‐ 2 ー 1 t onsm s であ っ た. 土 壌 環境 には 大 き な差 がな か っ たの で, 特 に考慮 は しな か っ た. pho. 72.
(4) . 市街地植物の光合成収率. 光合成収率の測定装置および測定法 )の ポー タ ブルク ロ ロ フィ ル蛍光 分析装 置 MばNI l l疑i ク ロ ロ フ ィ ル蛍 光 は,H鞠Qzwa 1 ・ z 社(E餓e ch y ,Germa. PAM を用いて, メーカーのマニュアルに従って測定した. 光合成効率は, 明順応下での飽和閃光照射によ - ]鷹LD )から, 光合成収率Y り生じる最大蛍光値(Fm)と, その値と基底蛍光強度の差である蛍光消光値(国F (鯖≧憾唖)を算出することにより推定した (Q3 n方. ). こ の値 が最 大 値 である 1 に近 い程, 光化 et al .,1989. 学系nから光化学系エヘの電子伝達効率が高いこと, すなわち光合成が効率よく進行していることを示して いる. しかし, この値はあくまでも相対値であり, 光合成効率の絶対値 を意味してはいない. 草本では, 同じ光環境にある同種の植物の異なる葉で最低5回, 木本では, 同じ植物個体の光環境が同じ 最低5枚の葉で, 測定を行った.. 統計的検定 得られた平均値の差の有意性を, 一元配置分散分析 (ANOVA) によって検定した. 結. 果. 同じ種の陽葉と陰葉での光合成収率の違い 日向と日陰に共通 して生育していた7種の草本植物の葉における光合成収率を, 図1としてまとめた. す べての種において1 .2倍から2倍, 陰地で生育している植物の方が有 意に高い値を示した. 特に差が大きい シロ ツメ ク サ とヘ ラ オ オ バ コ で は, 強 光 下 で 光 阻害 を起 こ して いる 可 能性 があ っ た が, ヘ ラ オオ バ コ 以 外 の. 8の相対的に高い光合成収率を示した. 1から0 植物は, 陰地においては0 .7 .7. **. ** 0‐8. **. **. ** **. **. 0. 6 . . 4 U 米0 .. 0‐ 2. 0. 図1. 陽地 (白) と陰地 (グレイ) に生育する草本被子植物における光合成収率の比較. 誤差 線 は標準偏 差, **は p<0 .01で有 意 差 あ り を示 す. n= 5‐. 2種の木本の被子 図2 はイチイ, アカマツ, ニオイヒバ及 びメタセコイ アの4種の裸子植物 (針葉樹) と1 植物について, 陽葉と陰葉の光合成収率を比較したものである. ミズキ, エゾムラサキツヅジ及びイボタノ 73.
(5) . . 長. 谷. 昭. キの3種を除いて, 有意に陰葉における値が高くなった. また, 統計的検定では有意差は認められなかっ た ものの, 平均で比較するならばこれらの3種も陰葉で相対的に高い光合成収率を示し 日陰で効率の良い光 , 合成を行っていることを示した‐ 但し, 被子植物においては陽葉で値が0 .5を下回る植物が多かっ たことか ら, 比較的強い光阻害を受けていると思われる.. **. *. 『. ** **. **. ,,. ** f. , , , : ,. ーー:. 0. 2. **. -. . === 圧= . 川澄1 進一. 稲川”1. . 0 4 ‐. **. , 、, ー 一 気・ , ,,. 1. * 『 ** 丙 ま だ. 『. **. 図2 木本植物の陽葉 (白) と陰葉 (グレイ) における光合成収率の比較‐ 誤 差 線 は標 準偏 差, **は p< 0‐ 01で有 意 差 あり を示 す. n= 5.. 分類群間での陽葉と陰葉における光合成収率の違い 図1および図2で示した結果より, 分類群間あるいは木本と草本間での光合成効率の違いが示唆されたの. で, 裸子植物 (針葉樹) と被子植物木本および被子植物草本に大分類して, 陽葉と陰葉における光合成収率 の違いを比較した (図3) . 全体的な光合成収率としては, 裸子植物 (針葉樹) が最も高く, ついで被子植 物草本, 被子植物木本の順であったが, 統計的検定でのこれらの分類群間での有意差は認められなかった‐ 一方各分類群内では, いずれも陰葉での値が有意に高かっ たが, 裸子植物 (針葉樹) においては陽葉での平 均値が被子植物より高く, 強光下でも比較的高い光合成効率を維持 している植物が多く認められた (図 2) . 一方, 被子植物では, 科間での有意差は認められなかっ たが, 個々の種間での値の差が大きく (図2 参照) , 光合成機能の面でも多様化していると思われる.. 帰化植物と在来種との光合成収率の違い 市街地の陽性の開放的環境下では, 多くの帰化植物が在来種を駆逐して優占している. その適応機構を光 合成特性の面から調べるために, 腸地に生育する2 2種と陰地に主に生育する2種の植物を追加 して, 光合成 収率を測定し, 帰化植物と在来種との比較を行っ た (図4) ‐ 陰地においては, 両者における光合成収率の 差は認められず, いずれも0 5前後の高い値を示したが, 陽地においては, 帰化植物が平均0 .7 .67と有意に高 い値を示した‐ このことは, 帰化植物の多くが, 在来種に比較して, 市街地の強光下でも光阻害が少なく高 い電子伝達効率を維持できる光合成機構を, 有していることを示している.. 74.
(6) . 市街地植物の光合成収率. *. 裸子植物. **. **. 木本. 草本. 陽葉. 陰葉. 被子植物. 図3. 裸子植物と被子植物の木本及び草本における. 図4. 在来種 (白) と帰化植物 (グレー) の陽葉と. 光合成収率の比較. 白:陽葉, グレー:陰葉.. 陰葉における光合成収率の比較‐. **は < 誤 差 線 は標 準 偏 差, *は0 p .05 .01<p<0 ,. 誤 差 線 は 標 準 偏 差, *は0 ‐05で 有 意 差 ‐01<p<0. 3 0 .01で有意差ありを示す. n=4(裸子植物), 1 (被子植物木本) . , 8 (被子植物草本). 考. 6(陽葉) ありを示す. n=1 . , 4 (陰葉). 察. 「材料と方法」 で強調したように, クロロフィル蛍光法で求めた光合成収率は光合成効率の間接的指標で しかない. しかし, その簡便さゆえに野外で生育している多くの植物から, 短時間で光合成に関する重要な 情報を得ることができる. その一つが光合成収率と同時に測定した 彫賦 及び気温の値を用いての見 かけの 電子伝達速度 (以下ETR と略記) である. これは, 測定対象とした葉における光合成速度の指標値 とも言 える. この値は光合成収率が同じであ れば, 光が強く気温が高いほど大きな値をとる. 従っ て, 光合成効率 が極端に落ちない限り, 陰葉に比較して陽葉の方が常に高い値をとる‐ また, 特に光環境に大きく影響さ れ るので,同じ晴天時でも測定した時間・季節・周囲の環境等で測定値 が変わってしまう.そこで今回は,ETR は特に図・表としてま とめることはしなかっ たが, 陽葉 と陰葉とを比較すると, 裸子植物 (針葉樹) では は2~ 2 ‐5~6倍, 被子植物で は種による ばらつきが大きく草本では2~5倍, 喬木では6~20倍, 潅木で 0 0倍程度, 3倍, それぞれ陽葉の方 が高いという測定結果を得ている‐ しかし, 理凪 の値 は, 環境により1 同じ植物でも50倍程度の差がある場合があっ たので, それと比較する と ETR の差は小さく, 少ない光量下 で有効に光合成を行っている植物の姿が数値にも表れている と言えよう. さて, 今回の陽葉の測定で は, 光合成収率が0 .5以下の値を示す植物が多く見られ, 特に潅木で顕著で あっ た (図2) . 今回は晴天時に測定したために, 陽葉では光飽和 を起こしていたことは確実であるが, 光 合成効率の低下をもたらす要因として特に重要なものとしては, 光呼吸と光阻害が上げられる. 今回測定し たほとんど全ての植物はC3植物であるために, 強光下で光呼吸が活発になり, 光合成効率が低下したこと 98 ) l l l は容易に推定できよう (Fe reta e .,19 . また, 「はじめに」 でも触れたように, 光阻害の程度は, 暗順 i ber and Berry, 1977;Scbrei - 応 下 でク ロ ロ フィ ル蛍 光 を測 定する こ と に より 求め る こ と が 出来る (Schre 75.
(7) . 長. 谷. 昭. ber a d Bi l ) が, 一 般的 に光 合成 収率 に して0 l 1 ger , 1987 .7以 下 の場 合は光 阻害 が起 き ている とさ れて いる. 副.,199 ) 5 . 今回は, 通常の昼光環境 (明順応) 下での測定であるので, 正確 な光阻害の程度は算定できないが, 今後植物種を限定して暗順応条件においてクロロフィル蛍光を測定する (的rause 1994; 的rause et ,. 必要があろう. しかし, このような光呼吸の活性化や光 阻害を起こしうる強光環境下でも 裸子植物 (針葉 , 樹) と帰化植物には, さほど大きな光合成収率の低下が認められない植物が多かった 前者の場合は 平面 . , 的ではない針葉という 葉の形態が, 過剰な光の受容を防いでいるのかもしれないが 平面葉を持つ帰化植物 , の場合は, 何らかの光阻害等の防御機構の発達が必要であろう. 光合成特性に限定するならば このような , 防御機構が存在するために, 「都会砂漠」 の中で在来種を駆逐して優占できるのかもしれない . 21世紀後半には世界の人口が1 00億人を越えると推定されており, 食糧の大増産が世界的課題となっ てい る. そのためには, 砂漠化が拡大している地域での食糧生産が大きな鍵を握っ ている と言われている 「都 . 会砂漠」 に生きる帰化植物の適応機構を明らかにすることは, この世界的課題に対しても貢献できることに なろう.. 謝. 辞. 本研究の実施にあたり, 光合成収率分析装 置 雌[NI -PAM を貸与して頂いた, 北海道大学大学院地球環境. 科学研究科の露崎史朗助教授に感謝致します. 引用文献 浅田浩二 ( 1 9 9 9 ) 葉の光環境に対する迅速適応, 「植物の環境応答. 生存戦略とその分子機構」(渡遣昭‐篠崎一雄・寺島一郎 監修), 秀潤社, 東京, pp ‐107一119 . Feueち u,Cra f l s 山 i S J ds紬 )Mode 1998 l -Br t b l am eち ..a i l l t亘bu i mcd,M‐乱 ( ra e emperatWes鏡hi ose‐1,5ーb sphos ‐ yhi ght i ) ac i ia t tedac i i t i i l c phatec怠rbo ーぴlas引o s o vase ‐med vat 】q zgen…鵜e (Rub onofRub sc o antphys o ‐P1 , 116:539‐546 , Hor dWa t l t 1996) Regma甑onofl i t ね コ l on をm,A‐V 鑓, ゴロu l er s i ュ r ves ant s antphys o ghtha gingreenp ,P,Rub ,R.G‐ ( ‐AI .Reupl . P1antM [ l l o o ‐Bi . 47:655一684 ‐ Gen棚 B. Bd… la錠onshipbetweenthequをm 前 頭 yie l antai s ・dB副【 eち N.R‐ (1989) 四コere i lec thet tron sofphotos ce } d 〕 , ,J.- M.aI 桜a j b ogofc l i l l l凸uorescence ta990:87一92‐ i焔po直 andquench orophy ochi oPhys 1ロ.Bi .Bi .Ac. 小池孝良 ( 9 ) 樹木の葉の展開と老化パターン, 「植物の環境応答. 生存戦略とその分子機構」(渡選昭・篠崎一雄・寺島一 1 9 9 郎監修), 秀潤社, 東京, pp.102一106 ‐ Kr G P h 出 超b H t i 鹸 i ( bibi錠onofPhotos 9 9 ) oo 4 a t騰e i lecular on nducedbyl thes owtemperatules o立l s: 酌ごom Mo } = ] ‐ln Phot ,. . 1 M [ l d ( 1 S i acP口b l echa幻直smst i i otheFi e 1 8 4 en七 sher s ord o ye雪JR‐ . ,BakeもN‐R.andBoo . ,e ,BIOSSc ,0却G ,pp.331一3 脇rause G.H‐a dWe篤,E‐ ( 1991 ) Cmrophy l l負uores t i l l thes inu i l tphys cenceそmdpho os第コ s: 四beb そ鵜i帳.A1 a u l o amt , .Reupl ‐P1. M【 l l 9 o o ‐Bi ‐ 42:313一&1 ‐ 街r G H W dwin誇ろ K ( ) Hi 1995 i 駈けt i甑onofyomlgl a t .服e i l角re cep甑b opho o無扇b t霞ees eavesof讃op ca ghsus s ,. . , ばgo ,A 紅I . P1antal 97:583一591. .. Sc l u F ibeち u al JA 1 inducedchzmgesofchlorophyn auorescencein mtactle e ,dBer 9 7 7 ) Heat‐ latedWi thdaはn- zy zwesco1re , . ‐( , i lms i 3 3一238 caPP額「 a a に nta136:2 ageofthephotosynthet .P1 .. Sc l p r beち u 紅, i dBi l 9 8 ) 放きpidassessmentofstresse鐘ectsonplaI l l日uorescence measme‐ 1 7 tleをwesbychlorophy e ] geも W. ( s IAj o副ys fl ヒ iona i i menb te l lh C l給ms sin M【 ed 1ばanean Bcosys ‐ln P1antResponsetos蜜ess: Fund ‐ , e unen,J D‐ , at印dロo ,E N1 , Lange く も S S 1ag Bert i= pp‐27一53‐ .C‐ . ’○.L.and 。eche1 ’▽▽ ’e ’ phnger▽er , , Sc加F ibeg u Bi l W ,d Neubaueも C‐ (1994) Chlorophyl l紅uorescenceasanop山桜「鴎i e veindi cator 角rrapidassessment , geち ‐al in 萌i l k ) i io logyofPhotosynthes i ‐D‐and C副dwen 靴1 vopho tz ルq ds Spr ofi synthes lag s i ゴ ロger s -Ver .ln EcoPhys ,Schロl ,E. , ‐ .e . , ,. 7 6.
(8) . 市街地植物の光合成収率 Ber l i口,PP‐49一70 .. 9 9 9 ) 光環境と葉の光合成, 「植物の環境応答一生存戦略とその分子機構」(渡捲昭・篠崎一雄・寺島一郎監修) ,秀 1 寺島一郎 ( 潤社, 東京, pp ‐ ‐92‐101. 77.
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