分 担研 究代 表 者 村 上 悟 神奈川大学理学部総合理学研究所

ケ ナ フ が 示 す 高 い 光 合 成 速 度 の 解 析 葉 の構 造 観 察 に よ る 葉 内 へ のCO2供 給 の 研 究

平 成13年3月

分 担研 究代 表 者 村 上 悟 神奈川大学理学部総合理学研究所

研 究協 力者 近藤晃 次 鈴木祥 弘 釜野徳 明

神奈川 大学理学 部応用生 物科 学科 神奈川 大学理学 部総合理 学研 究所 神 奈川 大学理学 部総合理 学研 究所

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序論

良質 パ ル プ繊 維 を持 ち 、木 材 に代 わ るパ ル プ源 と して しば しば用 い られ る植 物 にケ ナ フ (HibiscuscannabinusL.)が あ る。我 々 の研 究 か らケ ナ フ は 日本 の気 候 下 、耕 地 で 熱帯 雨 林 に匹 敵 す る高 い 一 次 生 産速 度 を示 す こ とが 明 らか に な って きた 。 ケ ナ フの 一次 生 産 は、

7月8月 の速 い生 長 と生 長 後 に ケ ナ フが もつ 沢 山の 葉 に よって行 わ れ る9月10月 の 光合 成 に よ り支 え られ て い る。本 研 究 で は、 ケ ナ フにつ い て7月8月 に認 め られ た生 長 を支 えて い る と考 え られ る光 合 成 速 度 を解析 した 。本 研 究 で は特 に この 時 期 の 高 温 ・高 光 強 度 で光 合 成 速 度 を律 速 す る葉 内へ のCO2供 給 をケ ナ フ葉 の 形態 に着 目 し検 討 した。

材料 と方法

7月8月 に高 い生 長速 度 が確 認 され てい る 中国 産 ケ ナ フ品種 「青 皮3号 」 を用 い た。種 子 に吸水 させ 、 暗 所25℃ の室 温 で発 芽 させ た 。 発 芽 後 、 温 室 中 で25℃ で育 苗 した 。約1

ヶ月 後 、 苗 を野 外 の 圃場 に移 植 した(以 下 、 野外 個 体)。

Li・6400(portablephotosynthesissystem;LI‑COR社)を 用 い て、5月 か ら8月 にか け て異 な る生 長 段 階 に あ る野外 個 体 の 光 合 成速 度 の 光 強 度 依 存 性 、 播種 後 の経 過 日数毎 の 最 大 光 合 成 速 度 を測 定 した 。測 定 は温 度30℃ 、CO2濃 度400PPmで 行 った 。

葉 の組 織 構 造 を観 察 す る為 に、 播種 後 高 い最 大 光 合 成 速 度 を示 した個 体 か ら完 全 展 開 葉 を採 取 した 。葉 横 断 面 の観 察 を行 うた め採 取 した 葉 を適 当 な大 きさ に切 り出 した後 、 ビス (木髄)に 挟 みPlantMicrotome(日 本 医化 器 械 製 作 所)を 用 い て5μmの 切 片 を作 成 した。

切 片 をサ フ ラ ニ ン染 色 し光 学 顕 微 鏡 で観 察 した(参 考文献1)。 葉 の 表皮 組 織 を観 察 す る た め表皮 を ピ ンセ ッ トで剥 し取 り、 光 学顕 微 鏡 で観 察 した 。 よ り広 い範 囲 で気 孔 の分 布 を観 察 す る た め に、 ス ン プ法 注1)を 用 い て 表皮 組織 の レ プ リカ を取 っ た(参 考文献2)。 気孔 を 型 取 り した 後 、光 学 顕 微 鏡 で観 察 し、観 察 像 をデ ジ タル カメ ラで 撮 影 、画 像 処理 ソ フ ト(NIH Image)を 用 い て1平 方mm当 りの気 孔 密 度 を測 定 した 。夏 季 に野外 で栽 培 した個 体 か ら は葉 の裏 表 各90回 、温 室 で栽 培 した個 体 か らは各10回 を測 定 し、平 均 値 と標 準 偏 差 を 算 出 した 。野 外 個 体 の気 孔 観 察 お よび気 孔 密 度 の測 定 は8月 に行 っ た。

圃 場 の 植 物 体 と光 合 成 速 度 、 葉 の 形 態 を比 較 す る た め 、9月 よ り25℃ に設 定 した 低 温 ・ 低 光 強 度 の温 室 中 で栽 培 した(以 下 、温 室 個 体)。 気 孔 の観 察 は播種 後2ヶ 月 目に行 った 。

注1)透 明 セ ル ロ イ ド板 に 酢 酸 ア ミ ル を適 量滴 下 して セ ル ロ イ ド板 の 表 面 を軟 化 させ た 後 、 表 皮 の 表 面 に密

結果

・光 合 成 速 度

設 定 温 度30℃ 、CO2濃 度400PPmで 光 合 成 速 度 の光 強度 依 存 性 を測 定 した結 果 を、横 軸 を光 量 子 密 度(0〜2000μmolphotonsm2S‑1)、 縦軸 を光 合 成 速 度 と して 光 一 光合 成 曲 線 に表 し比 較 した(図1)。5月 、6月 、7月 で は ほ ぼ 同 じ曲線 を示 し、 光 量 子 密 度1000 μmolphotonsm.2s'1で ほ ぼ飽 和 した 。8月 に は 、5月 、6月 、7月 と大 きな差 の認 め られ ない 初 期 光 合 成 速 度 を示 したが 、 測 定 に用 い た最 大 光 量 子 密 度(2000μmolphotonsm'2s

1)に な っ て も飽 和 せ ず

、 高 い最 大 光 合 成 速 度 を示 した 。

最 大 光 量 子 密 度 で 測 定 した最 大 光 合 成 速 度 を、横 軸 が 播 種 後 の 日数 、 縦 軸 が 光 合 成 速 度 と して比 較 した(図2)。5月 、6月 、7月 は光 合 成 速 度 が25μmolCO2nガ2s1前 後 の値 を 示 した が 、8月 に入 る と急 に高 くな り、35μmolCO2m2s'1前 後 か ら40μmolCO2m'2s'1

近 くに もな っ た。 しか し、8月 の 下 旬 に な る と急 激 に低 下 す る とい う こ とが観 察 さ れ た 。 温 室 個 体 で は完 全 展 開葉 が 出 始 め てか ら12月 ま で光 合 成 速 度 を測 定 した 。9月 に播 種 して か ら約2ヶ 月 目の11月 初 頭 に最 も高 い最 大 光 合 成 速 度 を示 した 。 この 時期 に測 定 し た光 一 光 合 成 速 度 の 結 果 を野外 個 体 の 測 定 結 果 と共 に 図1に 示 す 。 他 の 時 期(10月 、12 月)の 最 大 光 合 成 速 度 は15μmolCO2m'2s'1前 後 で あ っ た 。夏 期 に栽 培 した 野 外 個 体 に比 べ て光 合 成 速 度 は 明 らか に低 い こ とが観 察 され た 。

・葉 の 構 造

ケ ナ フの 葉 は厚 さ0.19〜0.24mmで あ り、 一 層 の 表皮 組 織 、0層 の柵 状 組 織 、 そ の 下 に 3〜4層 の 海 綿 状 組 織 さ らに一 層 の 裏 面 表 皮 組 織 か ら成 っ て い た(図3)。 柵 状 組 織 、 海 綿 状 組 織 共 に層 の 厚 さは各0.07〜0.10mmで あ り、 ほ ぼ 同 じ厚 さで あ っ た 。柵 状 、 海綿 状 組 織 の細 胞 中 に は細 胞 壁 に密 着 した 、 そ れ ぞ れ25/cell、15/cell以 上 の 多 数 の葉 緑 体 が 認 め

られ た 。柵 状 組 織 、海 綿状 組 織 の境 界 付 近 に は12〜17μmの 維 管 束 が 認 め られ た(図4)。

維 管 束 の周 囲 の細 胞 は他 の葉 肉細 胞 と比 較 して大 きな差 異 は認 め られ なか っ た 。

ケ ナ フ葉 の気 孔 を成 す 一 対 の孔 辺細 胞 に は5〜10個 の 葉 緑 体 が 観 察 で きた(図5)。 気 孔 の 長 さ は17〜20μmで あ った 。孔 辺 細 胞 の大 き さは気 孔 の 開 閉状 態 に よ っ て多 少 異 な る と思 わ れ る が 、気 孔 が5〜6μm開 い た状 態 で 測 定 した結 果 、 幅7μm、 長 さ24μmと な り、 草本 植 物 の 中 で は比 較 的 小 さい と言 え る 。 ケ ナ フ葉 の 下 面 、 上 面 に はそ れぞ れ353 cells/mm2と235cells/mm2の 密 度 で気 孔 が存 在 して い た(図6・A,B)。 葉 下 面 の気 孔 密 度 は 上 面 の1.5倍 で あ っ た 。 温 室 個 体 で は 気 孔 密 度 は 下 面 で242、 上 面 で140と な り、 そ れ ぞ れ8月 の 野外 個 体 の気 孔 密 度 の70%、60%で あ っ た(図6・C,D》 。 ま た 、上 面 と下 面 の 気 孔 密 度 の差 が 顕 著 で 、下 面 の密 度 は上 面 の密 度 の1.7倍 とな った 。 気 孔 密 度 の測 定 結 果

を表1に 示 す 。

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表1気 孔 密度 の測定結果(平 均 ±標準偏差mm2)

葉下面 葉上面

野 外 個 体(n=90) 353±54 235±40

温 室個 体(n=10) 242±20 140±9

45 40 r135

N

1"30 025

U .‑

020 E w..r15 遡10

葛5

卍 〇

‑5

一 ←5月 一 る一 一6月 一 → ←‑7月

→ 一一8月

。一+一 一11月

光 量 子 密 度(μmolm.2s‑1)

図1.ケ ナ フ の 光 一 光 合 成 曲 線(野 外 個 体;5〜8月 、 温 室 個 体;11月)

(㌔"∈"8石E3廻製廼如 505050505044332211

40 5060708090100

播 種 後 の経 過 日数(日 目)

図2.ケ ナ フの5月 か ら8月 の 最 大 光 合 成 速 度

◆5月 層6月

・7月 ム8月

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叉3ケ ナ フ 升 の"

岬 紳曳

轡煙3

柵状組織

海綿状 組織

]裏 面 表 皮:.ri

図4維 管束 の断面像 (木部 をサ フラ ニ ン染 色)

轟

㌦ ・︑一 黙 難

ぜけ

援 ︑ 瀦 鞭 曙 愚 孕 秘

り もこ

解艶 購 轡

憶 幅 藩 盤 轟

一

(右下 の ス ケ ー ルバ ー の長 さ は20μm)

・ ・

図6‑A野 外 個 体 葉 下 面

図6‑B野 外 個 体 葉 上 面

図6‑c温 室 個 体 葉 下 面

図6‑D野 外 個 体 葉 上 面

(画 像 中 の ス ケ ー ル は 接 眼 マ イ ク ロ メ ー タ)

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考察

0般 的 に飽和 光 の 条件 下 で は外 気 のCO2濃 度 が 光合 成 速 度 を律 速 す る要 因 とな る(参考文 献3,4》 。図1に 示 した グ ラ フか ら、5月 か ら7月 の生 長 段 階 で は約1000μmolphotonsm・

s1以 上 の 高 光 強 度 で は光 合 成 速 度 が 定常 状 態 に達 して い る こ とか ら、CO2濃 度 が光 合 成 の限 定 要 因 とな って い る と考 え られ る。 しか し8月 で は高 光 強 度 下 に お いて も緩 やか で は あ る が 光 強 度 に比 例 して光 合 成 速度 は増 加 し、 高 温 ・高 光 強 度 の 条件 下 にお い て光 合 成 速 度 が 比 較 的律 速 され る こ とな く高 い値 を示 してい る。最 大 光合 成 速 度 を比 較 した グ ラ フ(図 2)で もそ の違 い は 明 らか で あ り、8月 時 の 野外 個 体 の葉 は特 に高 いCO2親 和 性 を もって い る事 が 分 か っ た 。 葉 内へ のCO2供 給 が不 足 し、光 合 成 が律 速 され る この よ うな条 件 下 で 高 いCO2吸 収 を維 持 す る植物 の多 くは、C4回 路 と呼 ば れ るCO2濃 縮系 を もつ 。C4回 路 の有 無 につ い て は後 に葉 の構 造 観 察 か ら検 討 した。 図2に 示 され た 結果 で は、8月 の後 半 に最 大 光 合 成 速 度 が 低下 してい るが 、光合 成 速 度 が40μmolCO2血2s・ 近 くに な った 頃 と比 べ て気 温 が 低 下 し始 め 、 また播 種 後90日 近 く経 つ ので 老化 に よ る可 能性 が 考 え られ る。7月 以 前 の 光 合 成 速 度 の温 度 依存 性 につ い て は 、外気 温 を測 定 機 器 で 制御 してい た た め・ 温 度 に依 存 した酵 素 活 性 の違 い な どに よる光 合 成 の短 期 的 な活性 の 違 い は無 い と考 え る。

ケ ナ フの 葉 断面 の観 察 か ら、C4植 物 に特 徴 的 な維 管 束 鞘細 胞 は観 察 されず 、 ま た層状 の 柔組 織(柵 状 組 織 、海 綿 状組 織)を 成 してお り、典 型 的 なC3植 物 の構 造 を もつ こ とが 分 か った(図3、4)(参 考文献5)。C4回 路 に必 要 な酵 素郡 の 発 現 の有 無 な ど、 さ らな る検 討 の必 要 は あ るが 、 形 態 学 的 な特 徴 か らは、 ケ ナ フがC4植 物 で ない こ とが 強 く示 唆 され

た 。

気 孔 の作 用 は植 物 の細 胞 間隙 へ のCO2供 給 を制 限 して お り、気 孔 拡 散抵 抗 は光 合 成 を 律 速 す る最 も重 要 な要 因の 一 つ と して知 られて い る。 以上 の こ と を踏 ま え、 ケ ナ フの気 孔 の形 態 と分 布 を調 べ た。 ケ ナ フで は一対 の孔 辺細 胞 か らな る一 般 的 な気 孔 が観 察 で きた。

ケ ナ フ の葉 は両 面 に気 孔 が観 察 され た。植 物 は一 般 的 に葉 下 面 にの み気 孔 を もつ こ とが 知 られ て い る ・ ケ ナ フ と同 じ く一 年 生植 物 で あ りまた葉 両面 に気 孔 を もつ植 物 は、C3植 物 で は ヒマ ワ リ、C4植 物 で は トウモ ロ コ シが 例 に挙 げ られ る。 ヒマ ワ リは葉 下 面 に170 cells/mm2、 葉 上 面 に70〜120cells/mm2、 トウモ ロ コシで は葉 両 面 に各100cells/mm2程 度 の気 孔 を もっ て い る と云 わ れ て い る(参考文献6)。 ケ ナ フ葉 の気 孔 密 度 の測 定 結 果 か ら、

ケ ナ フ の 葉 は そ の 両 面 共 に 他 の 草 本 植 物 と比 べ て 非 常 に 多 くの 気 孔 が 分 布 して い る 事 が 分 か る 。 また葉 が 薄 い こ とか ら葉 肉細 胞 と外 気 の 間 の拡 散経 路 が短 い こ とに よっ て拡 散抵 抗 は低 くな る と考 え られ 、気 孔 が多 く分 布 して い る こ とか ら葉 内 と外気 の 間で は非 常 に効 率 良 くガス 交 換 が 行 わ れ てい る こ とが考 え られ る。 この 結果 は ケ ナ フ葉 が 高 い気孔 コ ン ダク

ケ ナフ葉 は、光合 成が律速 され る ような高温 ・高光強度の条件下 におい てC4回 路 を もた ず に高いCO2吸 収速度 を維持す る要 因 として、 この ような形態的特徴 が大 きく貢献 して い ると考 え られる。

温室個体で は野外 の個体 に比べ て気孔数が明 らか に減少 していた。温室 内の栽培環境 は、

夏の野外 に比べ て低温 ・低光 強度であ り、野外 の個体 に比べ て十分 な光合成が行 えない と 考 え られ る。実 際に光合成速 度は野外個体 に比べ 明 らか に低 い ことが確認 で きた。気孔の 数 を多 く持 つ ことによってその分 だけ蒸散 の量 も増 えるため、本研究 での温室内の栽培条 件で は余分 な損失 になる可 能性が大 きい。ケナフ葉 は、気孔密度 を環境 に応 じて柔軟 に変 化 させ ることで、効率的なCO2吸 収 を行 っている可能性 を示唆 している。

本研 究では、夏期の野外 と9月 以降の温室 内 とい った異 なる環境 条件 で栽培 した個体 間 で気孔 の分布 の変化 を確 認で きたのだが、 この結果 も考慮 に入 れる とケナフ葉の気孔密度 は5月 か ら8月 の各成長段階 において も異 なるこ とが予想 される。今後 、高い気孔密度 が実際 に葉内のガス交換 に対 す る影響 をよ り明確 にす るため に、最大光合成速度 を示す高 光 強度 の条件下 で葉 の細胞 間隙 のCO2濃 度の変化 を測定す るこ とが必要 であ り、 また、

各生長段階での光̲光 合成速度の結果 と照 らし合 わせ てケナ フの生長段階 ご との気孔密度 の変化 を調べ るこ とで、ケ ナフにみ られ る高い気孔密度が光合成 に与 える影響 をよ り明確

にで きる と思われ る。

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参 考 文 献

1)島 本 功 岡 田 清 孝 細 胞 工 学 別 冊 植 物 細 胞 工 学 シ リ ー ズ4モ デ ル 植 物 の 実 験 プ ロ ト コ ー ル ー イ ネ ・シ ロ イ ヌ ナ ズ ナ 編 一 秀 潤 社(1996)

2)Hall,D.O.Scurlock,J.M.O.Bolhar‑N.,H.R.Leegood,R.C.andLong,S.P.

PhotosynthesisandProductioninaChaningEnvironmentAFieldandlaboratorymanual Chapman&Hell(1993)

3)Hans,M.andPeter,S.著 網 野 真 一 駒 嶺 穆(監 訳)植 物 生 理 学 シ ュ プ リ ン

ガ ー ・フ ェ ア ラ ー ク(1998)

4)Walter,L.著 佐 伯 敏 郎(監 訳)植 物 生 態 生 理 学 シ ュ プ リ ン ガ ー ・フ ェ ア ラ

ー ク(1999)

5)宮 地 重 遠 現 代 植 物 生 理 学1光 合 成 朝 倉 書 店(1992) 6)Colin,W.andMark,F.,Topicsinplantfunctionalbiology:2STOMATAChapman

&Hall(1996)