エチレンの生態的役割

エチレンの生態的役割

著者

東北大学遺伝生態研究センター

雑誌名

IGEシリーズ

巻

5

ページ

1-97

発行年

1990-02

URL

http://hdl.handle.net/10097/49090

D6匿シリーズ5*

エチレンの生態的役割

東北大学遺伝生態研究センター

㊨目   次㊥

ワークショップのねらい 菅 洋---. Regulation of biosymthesis and action

ofethylene Shang Fa Yang -･･･-

ACC合成酵素の不活性反応 佐藤 茂-生態系におけるエチレンの動態について

滞田 信一 1      3  3 日H 種子発芽とエチレン 江刺 洋司--- 35 水生植物の生長とエチレン 菅 洋--- 49 植物の重力反応とエチレン 高橋 秀幸---- 55 接触刺激とエチレン 太田 保夫･----･-- 63 傷害とエチレン 兵藤 宏--- 73 病害抵抗誘導とエチレン 関沢 泰治-･･･-- 87

ワークショップのねらい

菅     洋

生態系の中で植物はいろいろの環境変化に巧妙に適応しながら生活を維

持し,種の保存をはかっており,その時間的経過の上に進化が成り立って いる｡

植物の環境変化に対する適応現象は可視的には形態として把握されるこ

とが多いが,そこに致るプロセスには疑いもなく物質変化に裏づけられた 生理,生化学的基礎が存在するはずである｡そこまで遡及して生態系にお ける生物の生活現象を解明しようと言うのが,いわゆる化学的生態学とか 生化学的生態学などとよばれる分野の立場であろう｡そこにはさらに遺伝 学的あるいは系統発生学的は視点が導入されることも今後重要であろう｡ 植物ホルモンの中でエチレンは敵-ガス体として存在し,種々の環境ス トレスに応じてその生成が変化し,植物の多様な生理現象を通じて形態変 化をも制御していることが知られている｡ 一方,エチレンは, r_業,自動車の排気ガスなどを経由して人工的に環 境に放出されその生態系における動態についても把握しておく必要が生じ ている｡ 今回,ワークショップと七て｢エチレンの生態的役割｣を企画したのは, 上に述べたような立場から,現在すでに研究が進展している生理,生化学 的研究に立脚してこの間題に接近しようとしたものである｡ L述した化学 的生態学あるいは生化学生態学と呼ばれる分野においても植物ホルモンと の関連がとりあげられたことはほとんどなかった｡ 東北大学遺伝生態研究センター

2 しかし,植物ホルモンは植物の生長,発育を直接制御しており,種々の

生態系の中で環境変化に適応している植物の生活現象を解明して行く上

で,その制御機構の上'_にilJIって解折し理解を深めることは極めて重要な視 点であろう｡ エチレン研究の現状から,今回の試みが植物の個生態におけるエチレン の役割に比重がかたむいたきらいがあり,また沢田氏が提供されたような 牛態系におけるエチレンの動態解析のような話題とのギャップをどのよう にうめて行くかも今後に残された重要な点であろう｡今回は折しも名古屋 大学に滞在されていたカリフォルニア大学のYANG教授にも御参加いた だき1989年5月31-6日1日の2日間にわたって開催されたo御参加f{さ れた方々に心から厚く御礼申し上げる次第である｡本記録は,当口話題提 供された各研究者にお願いして当日の発表の大要をまとめていただいたも のである｡この分野の研究の発展に寄与できれば幸である｡

Regulation of Biosynthesis and

Action of Ethylene

Shang Fa Yang

Ⅰ. Introductiom

Ethylene is a plant hormone which regulates many aspects ()f grnwth, development and selleSCenCel). Depending up()II Where and when ethylene occurs, it may be beneficial ()r harmful t｡ agrlCultural

crops. The e侃ciency of agrlCultural systems theref()re can be

im-pr()ved by the ability t() regulate ethylene responses. Before ethylelle can exert its effects, it has t() be bi()syllthesized by the plant or supplied

from external sources. As in the case ()f other h()rm()nes, e仙ylene is

thought to bind to a receptor, forming an activated complex which in

turn initiates the chain ()f reacti()ns including modificatioll Of gene

expression, leading to a wide variety ()f physi()logical resp()llSeS aS showll bel()W :

｢一

A SyTlthesIS ACC-SAM一一一Met ∫ c2171-  1'rlmary C2Hl-ReeLll)tor- ReactlOn -一 一一

♂ C｡T11plex

E x ()Llell()uS Actl川1 I(‥l-日日､い

Research Institute for Biochemical Regulation, Faculty of Agriculture. Nag()ya UIliverslty, Nag()ya 464

permanent Address Mann Laborat()ry. University ()f California DaviS. CA 95616, USA

4

Thus, there are four ways by which we can regulate ethylene

responses : (a) control the concentration of ethylene in the tissue by

additi()∩ or removal of ethylene, (b) regulate the concentration of

ethylene in the tissue by stimulating or inhibiting ethylene biosynthesis, (C) modify the binding characteristics or the amount of the ethylene receptor, and (d) manipulate ethylene-dependent gene expression. In this paper examples of these manlpulationSwill be reviewed.

ⅠⅠ. Addition or removal of ethyleme

Although ethylene gas can be applied to the horticultural crops in

closed chambers, it is impossible to apply ethylene to the agricultural

field, because of its gaseous nature. This problem was overcome with

the development of the ethylene-releasing compound 2-chloroethyト

phosphQnic acid under the trade name Ethrel. Today Ethrel is one of

the most important and versatile plant growth regulators used in

agrlCulture8).

CトCH2-CH2-PO3H2+20H-- Cl一十CH2-CH2+H2PO4-+H20

1t is often desirable to delay plant responses mediated by ethylene. Ethylene can be removed by ventilation or scrubbed by oxidation with KMnO4 0r by catalytic oxidation.

ⅠⅠⅠ･ Regulation of Ethylene Biosynthesis

Knowing how ethylene is synthesized is essential to understanding its regulation･ In 1979, Adams and Yang2'elucidated the following

sequence for the pathway of ethylene biosynthesis in ripening apples, and this pathway has since been shown to be operative in all other

tested plant tissues :

Methonine- S-adenosylmethionine (SAM)

- Laminocyclopropane-Lcarboxylic acid (ACC) - ethylene

Regulation ()f Biosynthesis and Acti()∩ of Ethylene  5

1t has been shown that ACC synthase, which converts SAM to

ACC, plays a key role in regulating ethylene production25). ACC

synthase appears to be a pyridoxal enzyme, because the enzyme requlreS pyridoxal phosphate for maximal activity28), and is strongly

inhibited in uiuo2) as well as in uitro5･28) by aminoxyacetic acid (AOA) or aminoethoxyvinylglycine (AVG), which are known inhibitors of

pyridoxal phosphate-dependent enzymes. Increased ethylene produc-tion is involved in many developmental processes including germina-tion, rlpenlng and senescence, and in stress responses to wounding,

drought, water-logglng, Chilling, toxic agents, infection or insect

infestation25). In all these cases, it has been shown that a higher level

of ethylene is accompanied by an increased ACC production, due to induction of ACC synthase. This is shown by direct measurement of increased ACC levels and by the ability of cycloheximide, a protein synthesis inhibitor, and AVG to block or diminish the increase in ACC

synthesis and the accompanying increase in ethylene production.

The discovery that auxin promotes ethylene productio打was

ini-tially made by Zimmerman and Wilcoxon30). This observation has led

t() the discovery that many responses previcluSly attributed to auxin might be due to ethylene produced in response to the auxin treatment.

Auxins are by far the most effective stimulators of ethylene production

in vegetative tissues, where the endogenous rate of ethylene production

is thought to be regulated by the internal level of auxin. Auxin promotes ethylene prodtiction by inducing the synthesis of ACC synthase, resulting in higher levels of ACC27･29)

The view that the conversion of SAM to ACC is the rate-limiting reaction in most plant tissues is supported by the observations that

application of ACC to various plant organs, including root, stem, leaf, inflorescence, and fruit, resultedina marked increase in ethylene production14). This indicates that the ethylene-forming enzyme (EFE),

6

which converts ACC t() ethylene, is present in most plant tissues. This

enzyme, however, has not yet been isolated independent of intact cellular material (vacuoles, protoplasts or tissue). Characterization of the EFE has been carried out largely with plant tissues, and some important information about the enzyme has been generated.

Peiser et al.16) have shown that during the oxidation of ACC to ethyleIle, Which is derived from C-2, 3 of ACC, the carboxyl gr()up of ACC is liberated as CO2, Whereas C-1 yields HCN. HCN thus formed

is rapidly metabolized to β一CyanOalanine and then to asparagine.

ACC+1/2 02- C2H4+HCN+H20+CO2

The above equatioll indicates that the over-all reaction is a two-elec-tion ()xidati()n. Since HCN canbe toxic tn plants, it is pertinent t() ask

whether plants have su侃cient capacity to detoxify the HCN formed

during ethylene production. The first step in the HCN metabolism is

carried ()ut by β-cyanoalanine synthase (which catalyzes the reaction between cysteine and HCN to form cyanoa】anine and H2S).

β-cyanoalanine synthase is widely distributed in higher plants15). While ethylene production rate in various tissues of higher plants ranges from

0 to 0.2 nmol/拷-min, β-cyan()alanine synthase activity ranges from 4 t()

1,000 nm()1/g-min. These data indicate that HCN produced durillg ethylene biosynthesis can be rapidly metab()lized. SillCe HCN is coll-tinu()usly synthesized and metabolized, We may assume that HCN is

maintained at a steady state concentrati()∩, when these two pr()cesses

are maintained at glVen rates. Yip and Yallg26) have determined the steady state level ()f HCNinpost-climacteric apple and av()cado fruits,

which actively produce ethylene, to be no higher than 0.5JLM. This

concentration is too low to cause significant inhibition of mitochondrial cyt()chr()me oxidase.

ⅠIlhibiti()∩ ()∫ ethylene pr()duction by AVG and AOA, inhibit()rs ()f

Regulatinn r)f Biosynthesis and Action of Ethylene  7

plants. AVG ()r AOA significantly inhibited ethylene production and

prolonged the longevity of cut carnationflowersg). Spraying apple

trees with AVG before harvest delayed fruits ripening, reduced

prehar-vest drop, and increased fruit-removal ∫()rce3･6). Similarly, retardation

of ripening in pears by AVG treatments also was reported17). AVG

induced staminateflowers when applied to gynoecious lines of

cucum-ber. Other inhibitors include those which are caplable of interfering with the conversion of ACC to ethylene. In detached oat or rice leaves,

CO2+ and Ni2十were shown to inhibit ethylene evolution and

correspond-1ngly retard chlorophyll loss12). Development of highly specific EFE

inhibit()rs may be p()ssible, when the biochemical mechanism of EFE is better understood.

The above examples illustrated that ethylene responses can be effectively modulated by regulated ethylene biosynthesis. This

practi-cal use of ethylene biosynthesis inhibitors in selected agrlCultural cr()ps seems prnmlSlng and warrants further investlgation.

ⅠⅤ. Antagonists of Ethylene Action

As with other hormones, it is assumed that ethylene perception by

plant cells involves receptors, and that binding of ethylene to these sites

initiates a sequence ()f biochemical events. Thus, a variation in

sensi-tivity may depend up()n the levels and characteristics of these ethylene receptors. Burg and Burg7) tested the ability of a number of ethylene

analogs for ethylenelliktaction in the pea straight gr･owth test and

found that the effectiveness of olefins that exert ethylene-like biol()gical

activity correlated with their ability to form a complex with Ag ion.

They have, therefore, proposed that the ethylene receptor site contains

a metal ion. Among ethylene analogs, propylene and acetylene were

found to requlre 100 and 2,800 times, respectively, the concentration of ethylene to glVe half-maximal response ; alkanes are, however,

in-8

active.

The dose-response relationships observed for many ethylene一

mediated processes in vegetative tissues are similar ; concentrations of

0.01, 0.1 and土O ppm represent threshold, halトmaximal, and saturating

doses, respectivelyl). However, in other tissues, such as preclimacteric

fruit, the responsiveness to ethylene for ripening varieswith different

species (for example, banana may require. as low as 0.i ppm while honeydew melon requires 3 ppm), With different maturity stages of the same species (many fruits become more sensitive to ethylene as the fruit matures), and with whether they are attached to the tree or not (e.

g. avocado fruits do not ripen while attached to the tree). These

variations reflect the differences in the sensitivity of different fruits to

ethylene. An increase in the binding afhnity of ethylene to the

rece-ptors and/or increase of recerece-ptors in these fruit organs during devel()p一

ment could account for increased responsiveness to ethylene.

Other than the natural inhibitors of ethylene action that have been

p()stulated to be present in plantslO), there are three known types of antagonists that may be applied exogenously to inhibit ethylene action.

These inhibitors have been used as diagnostic tests for ethylene action.

1. Carbon dioxide. CO2 preVentS Or delays many ethylene

responses when ethylene concentrations are below 1 ppm. The mecha-nism of action is not known, but CO2 has been suggested to be a

competitive inhibitor of ethylene action presumably by competing with

ethylene for the binding site, with a K】 ()f 1.5%7). CO2 has been used

commercially in controlled atmosphere storage of fruits where high

CO2 levels help to delay the ripening action of ethylene.

2. Silver ion. Ag+ inhibits ethylene action in a wide variety of

plant responses including growth inhibition, abscission, and change in sex expression of cucurbit f]owers4). Ag'has been used commercially in cut carnations to extend their vase-life24). Ag+ reacts with ethylene

Regulati()∩ ｡r Biosynthesis and Action ()∫ Ethylene 9 し.IM I h X + 日  日 ハし = C

i5iiiii

mV x

LI

ol

Em l EN C - C

xJ

g A L …一 し･-･M  - し

吋＼X

M- L2 --- C2日4 ActlOll ≡ Ll L2 ･.- No Action ll -M- L2 --- No or L)ttle CH2 l ActlOn h L,

Fig 1 P()ssible mode of action of ethylene and its antagonists, Ag十and norbornadiene (の). M is a metal ion in the ethylene receptor･ Ll･

L2, L, and X represent ligands interacting with M.

to f()rm a complex, but such a simple scavenglng effect of Ag十has been

ruled out as a possible mechanism of action. The exact mechanism by which Ag+ blocks or reduces ethylene action is unknown. ･ -A simple

model accounting for the antトethylene effect of A+ is presented in Fig･

1. 1t is assumed that one or more of the coordination ligands (L) in the

receptor site facilitates the binding of ethylene to the receptor, resulting

in a biologically active complex. Ag+ interacts with these ligands when it is applied, resulting ln a reCeptOr having little capability to bind ethylene, or in a ethylene-receptor complex which is biologlCally

In-active or less In-active. /

3. Norbornadiene. Sisler and Pian20) reported that some cyclic oleiins counteracted ethylene-induced increases in the respiratory rate of tobacco leaves. Sisler and Yang21) have since compared the

struc-ture-activity relationship of a number of olefins which possess

anti-ethylene activity in the pea seedling bioassay. Among those tested, 2,

10

ene action in a competitive fashionwith a K】 of 17ppm. This

conclu-sion was based on the kinetic results ()btained fr()m double reciprocal plots ()f inhibition ()i pea stem elongation vs. ethylene concentration in

the presence and absence of norbornadiene. The competitive

inhibi-tion of norbornadiene on ethylene acti()n is depicted in Fig. 1. It is assumed that norbonadiene, which resembles ethylene structurally, Competes with ethylene for the same binding site, and the resulting

norbornadiene:-receptor complex is biol()glCally inactive. Nor-bonadiene has been shown to be effectiveinretarding many ethylene-regulated plant processes including the delay of senescence of cut

carnation flowers22) and inhibition of abscission of citrus leaves23).

Norbornadiene is a gas and can be applied and rem()ved reversibly. It has pr()Ved to be a very useful tool to study ethylene action. The above

discussion implies that ethylene action can be manipulated by modify一

mg the binding characteristics of ethylene to the receptor.

V. Manipulation of ethylene-induced gene expression

Ethylene has been shown to be a key hormone initiating fruit

ripening. Associated with ripening are an increased synthesis of ACC synthase which is responsible for an autocatalytic surge in ethylene

biosynthesis, and an increased expression of gene encoding

polygalacturonase (PG) which is involved in cell wall degradation. PG

has been proposed to play a key role in fruit softenlng and other

ripening-associated processes. To evaulate these proposed functions of PG several investigators have successfully employed molecular

genetic strategies which specifically modify PG expression in tomato

fruits and monitor the phenotypic consequences of the modified PG expression. To this end two approaches have been carried out. The first was the use of antisense RNA to depress PG expression in wild

Regulatl()n Of Biosynthesis and Action of Ethylene ll it produces the antisense RNA that is complementary in sequence to the

normal RNA made by the n()rmal PG gene, resulting ln inactivati()∩ ()∫

the PG RNA and thereby depressing PG expression. Recently, Smith

et al.19) and Sheehy et al.18) have succeeded in genetic engineering of

such transgenic fruits which are low in levels of both PG mRNA and PG enzyme activity. H｡wever, these modifications did not result in detect-able changes in tomato softening or lycopene accumulation. The other strategy is forcing PG expression in a non-ripening mutant, Yin, in which PG gene transcription isinhibited. Giovannoni el al.ll) have recently constructed a chimeric gene consisting of the PG structural

gene fused to the promoter fragment of another gene of unknown function, E8 ; E8 gene has been previously shown to be activated by

ethylene in both wild-type and Yin fruits13). When this chimeric gene

was transfected into Yin tomato plants, a marked expression of PG gene was observedintransgenic Yin fruits which had been treated with ethylene. Again, no significant effect on fruit softening or lycopene development was observed. These experiments nevertheless

demon-strated that genetic englneerlng is a powerful tool to manlpulate

ethylene-induced gene expression.

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ACC合成酵素の不活性化反応

佐 藤   茂 Ⅰ.はじめに エチレンは,高等植物のライフサイクルを通じて,成長･分化の調節に 与かるホルモンとして生成される｡とくに,種子発芽･茎葉の老化･果実 の登熟などの過程で生成量が増加する｡また,物理的あるいは重金属イオ ン･化学薬剤による傷害,乾燥による萎凋や逆に湛水,低温処理や,別の ホルモンであるオーキシンの処理によっても多量の生成が誘導される1,7)｡ 植物体内では,エチレンはL-メチオニン-S-アデノシルメチオニン (SAM)-1-アミノシクロプロパンー1-カルボン酸(ACC)-エ≠レンの経 路で生合成される16'｡上述した正常な成長･分化に伴うエチレン生成も,さ まざまなストレスやオーキシン処理によって誘導されるエチレン生成ち, ともにSAM-ACCの反応を触媒するACC合成酵素(EC4.4.1. 14)の 生合成量の増加によって引き起こされることが明ちかにされている｡ ACC 合成酵素は,触媒反応にピリドキサールリン酸(PLP)を補酵素として必 要とするPLP一酵素である｡ 他方,高濃度のエチレンが,上偏成長の誘導,伸長成長の抑制,肥大化 の促進,落葉の促進などを引き起こすことが知られている｡したがって,植 物組織から生成されるエチレンがホルモンとして機能するためには,植物 の成長･分化過程の｢必要な時期に必要な量だけ｣生成されるような調節 作用が働いていなければならない｡もしも,植物個体が多量のエチレンを 東北大学教養部

14 長時間にわたって生成し続けるならば,生成されたエチレンはホルモンで はなく成長阻害物質として働き,その個体の成長･分化に有害な作用を及 ぼすことになるだろう｡この調節作用は,エチレン生成速度の一過性の経 時変化-生成速度が増加し,最大値を示したのち減少する-が,き わめて短時間のうちに起こることによってなされている｡そしてこの変化 は,植物体内でのACC合成酵素の速やかな代謝回転-エチレン生成の

増加に先行してde novo合成され, ACC合成の機能を果たしたのち速や かに活性を失う-によって引き起こされることが明らかにされてい る6･17'｡それではACC合成酵素の不活性化は,どのようなメカニズムに ょって起こるのであろうふ｡この疑問を解く手掛りとして,筆者らは先に, 黄白化緑豆下腔軸組織由来のACC合成酵素が,触媒反応中に基質のSAM によって不活性化されることを兄い出し,この不活性化反応が植物体内で

みられるACC合成酵素活性の速やかな減少の原因である可能性を指摘し

た10)｡また同時に, SAMがACC合成反応の基質としてだけでなく,酵素 自殺基質として作用することを,反応機構として推定した｡その後筆者ら は,トマト果実から調製したACC合成酵素を材料にして不活性化反応機 構の解析を行い,この仮説を実証した｡本稿では,現在までに明らかにさ

れたACC合成酵素の基質SAMによる不活性化反応の性質と反応機構に

ついて紹介したい｡

ⅠⅠ.トマト果実ACC合成酵素の部分精製11)

登熟トマト果実はACC合成酵素含崖が高く,しかも傷害によってさら に含量が増加することが知られている4･6･18,19'｡そこで,登熱トマト果実を5 mmの厚さにスライスし,湿らせたペーパータオルの上に並べて,室温･ 暗黒下で18時間放置した後,酵素の抽出材料とした｡ 6.08kgのトマト果肉を緩衝液とともに摩砕したホモジュネ-トを出発 原料とし,硫酸アンモニウム沈澱による粗分画後,

DEAE-Sepharose,Se-phadex G-150, Afn-Gel Blueおよびヒドロキシルアパタイトを用いてク ロマトグラフィーを順次行い部分精製した｡この結果, ACC合成酵素は 137倍に精製され,回収率は17%であった｡酵素の比活性は12,000nmol●

ACC合成酵素の不活性化反応 15 h-1･ (mgタンパク質ト1であり,この値はBleeckerら3)が報告した値とほ ぼ同じであった｡しかし, SDSを含むポリアクリルアミド電気泳動(SDS-PAGE)で分離後,クマシーブルーで染色すると多数のタンパク質のバンド が観察された｡さらに,トマト果実のACC合成酵素に対するモノクローナ ル抗体をSepharose 4Bに結合させたイムノアフイニティゲル3)を使っ て, ACC合成酵素を精製した｡イムノアフイニティゲルから溶出した試料 をSDS-PAGEで分離し染色すると, 4本のタンパク質のバンドが認めら れた｡このうち,3本のバンドはイムノアフイニティゲルから溶出したIgG のサブユニットタンパク質であることが明らかにされているので3),残り の1本のバンドがACC合成酵素タンパク質と考えられた｡このタンパク 質の分子量は50kDaと計算され,すでに報告されているトマト果実由来 のACC合成酵素の分子量と一致した3･8)0

III. SAMによるACC合成酵素の不活性化反応11)

最初に,トマト果実由来のACC合成酵素でも,黄白化緑豆下腔軸由来の 酵素と同じように,SAMによる不活性化反応が起こることを確認した｡前 項で述べたように部分精製したACC合成酵素標品を, 5JLM PLPわ存在 下で200JfMのSAMと反応させ,一定時間後に反応液の一部をとりSe-phadex G-25カラムに通してACC合成酵素を含む高分子画分を分離し,

この画分の酵素活性を測定してACC合成酵素の残存活性を求めた｡残存

活性の対数値を反応時間に対してプロットすると直線が得られ,ACC合成 酵素の不活性化が偽1次反応に従って起こることが示された(図1)｡酵素 の半減期(最初の活性が1/2に減少する時間)は66分と計算さ.れた｡他方, 反応液にSAMが入っていない場合は,酵素の不活性化は起きなかった｡ エチレン生成阻害剤のアミノエトキシビニルグリシン(AVG)は,基質 のSAMと桔抗してACC合成酵素の作用を阻害することが明らかにされ ている4･16)｡筆者らが部分精製したトマト果実のACC合成酵素でも, AVG はACC合成反応を阻害した｡ところが,これとは逆に,SAMによるACC 合成酵素の不活性化反応は,AVGによって阻害されることが示された｡す なわち, SAMの初濃度を100/JMとしてACC合成酵素を反応させると酵

(｡(.)A)!^!tut) Bu!U!DE小∝ ∞ 9 8 70 6 50 0 0 ● 0 0 0 ｨ耳爾 0 -SAM ◆SAM ¶/2=66min ﾂ Jl 0     30     60     90 Tirne (m舌n) 図1. SAMによるACC合成酵素の不活性化反応 ACC合成酵素を, 5〟M PLPの存在下で200FLMSAMと反応させたo 一定時間後に反応液からACC合成酵素を分離して,残存活性を測定し た｡-SAM:対解o Tlノ2:半減期｡ 素の半減期は55分であったが,反応液に2.5〃MのAVGを添加すると半 減期が108分に延長した｡ AVGがSAMによるACC合成酵素の不活性化反応を阻害することは, sAMが酵素の活性部位に結合し(そして,おそらく酵素の触媒機能によっ てSAM分子が活性化され)た後,酵素の不活性化反応が起こることを示し ており,先に推定したSAMが酵素自殺基質として作用するという反応機 構を示持するものである｡ IV. [14C]-SAMによるACC合成酵素の14C一標識11･12) もLSAMが酵素自殺基質として働くとすると,酵素反応によって活性 化されたSAM分子(の一部分)が酵素の活性部位に共有結合することが, 酵素の不活性化の原因として予想される｡そこでこの可能性を検討するた

ACC合成酵素の不活性化反応17 応させ, ACC合成酵素タンパク質への14Cのとり込みが起こるか否かを調 べた｡反応液から,タンパク質区分を単離した後, SDS-PAGEによって ACC合成酵素を分離しフルオログラムを作製したoこの結果,分子量50 kDaのタンパク質のみが14C一標識されることがわかった｡この分子量の値 は,前述したようにACC合成酵素の分子量値と一致するoまた, 14C一標識 されたタンパク質は,先に述べたイムノアフイニティゲルに結合すること も確認された｡これらの結果から, [14C十SAMの14CがACC合成酵素に とり込まれることが明らかになった｡ 次に, ACC合成酵素を,標識位置が異なる[14C]-SAM,すなわちSAM のメチオニン残基の-COOH, C-3, 4またはS-CH3のCが標識された [.4C十SAMと反応させ,14Cのとり込みを比較した(図2)0-COOHとC-3, 4の14CはACC合成酵素にとり込まれたが, S-CH3の14Cはとり込ま れないことが示され, ACC合成酵素に結合するSAMの部分構造が,メチ ォニン残基の4C部分(2-アミノ酪酸部分)であることが明らかになったo 図2. [14C十SAMによるACC合成酵素の標識 ACC合成酵素をアデノシルー[3,4-14C十メチオニン(Lanesl,4), S-ァデノシルー[｡arboxy1-14C十メチオニン(Lanes 2, 5),又はS-7デノシ ルー[methyト14C十メチオニン(Lanes3,6)と一反応させた後, SDS-PAGE で分離しフルオログラムを作製したo Lanes 1-3‥クマシープルーによる

18 この4C部分は, ACC合成酵素の本来の触媒反応においてはACCに変換 される部分である｡ フルオログラムの作製では, [14C]-SAMと反応後の試料を5%の2-メ ルカプトエタノール存在下で100oCで加熱処理し, 0.10/o SDS (W/V)存在 下で電気泳動を行ったoさらに,電気泳動後のゲルは,酢酸酸性のメタノー ル溶液中で染色と脱染色操作を行ったoこれらの過激な処理をした後でも, ACC合成酵素にとり込まれた14Cが除去されないことから,結合の状態は 共有結合と考えられる｡

Ⅴ･ L-ビニルグリシンによるACC合成酵素の不活性化反応.3)

はじめに述べたように, ACC合成酵素の触媒反応には,ピリドキサール リン酸(PLP)が補酵素として必要である○触媒反応では,まず酵素活性 部位のリジン残基のe-NH2基に結合していたPLPのアルデヒド基と SAMのメチオニン部分のα-NH2との間でシップ結合が形成され,酵素 一基質複合体が作られるoこの後,SAMのメチオニン部分でα-Hの脱離と Cγからメチルチオアデノシンの脱離が起こり, CαとCγの間に共有結合 が形成されて三貞環が生成しACCの骨格ができあがる｡ ACC合成酵素が 触媒するCα, Cγ一脱離反応は, PLPl酵素が触媒するアミノ酸の脱離反応 の中では,きわめてめずらしい特異な反応である｡すなわち,より一般的 には, CαでのHの脱離の後転位反応が起こりCβとCγの間に2重結合 が導入されるoこのような例として,メチオニンーγ-リア-ゼやシスタチオ ニ>-γ-リア-ゼに触媒される反応が挙げられ,反応の結果ビニルグリシ ン(とPLPがシッフ結合した共役化合物)が生成することが知られてい る15'oこれとは別に,他のPLP-酵素,例えばL7スパラギン酸アミノ基 転位酵素5･9', D-アミノ酸アミノ基転位酵素14'やキメレニンアミノ基転位 酵素2'では,ビニルグリシンが酵素自殺基質として働き,酵素を不活性化す ることが明らかにされている｡ 筆者らは, SAMによるACC合成酵素の不活性化反応機構として,この 酵素の本来の触媒反応ではACCに変換されるSAMのメチオニン残基の 4C部分が副反応によってビニルグリシンに変換され,これが酵素自殺基質

ACC合成酵素の不活性化反応 19

30  60  90  120

IncubQtion time (rnin)

(｡(.)Atwtut) 6U!U!D∈atJ 図3. L-ビニルグリシンによるACC合成酵素の不活性化反応｡ ACC合成酵素を, 5/JM PLPの存在下で所定の濃度のL-ビニルグリシ ンと反応させ, 一定時間後に反応液からACC合成酵素を分離して残存 活性を測定した｡ として働いて酵素の不活性化をもたらすことを推定した｡実際に, ACC合 成酵素をL一ビニルグリシンと反応させたところ,酵素の不活性化が起こる ことが確かめられた(図3)｡不活性化反応にはPLPが必須であり,ビニル グリシンの類似化合物である2-アミノ酪酸, 7Lリルグリシン,プロパルギ ルグリシンには不活性化作用が認められなかった｡ ACC合成酵素のL-ど ニルグリシンに対するKm値は3.3mMと求められた｡この値は,同酵素 のSAMに対するKm値より約100倍大きい｡一方, ACC合成酵素反応の 速度定数を求めると, SAMからのACC合成反応では300min 1,SAMに よる不活性化反応では0.01min 1,またビニルグリシンによる不活性化反 応では0.1min 1の値が得られた｡これから,ビニルグリシンはSAMより は反応速度定数が10倍大きいが,酵素に対する親和性が約1/100なので, 実際には活性の高い不活性化剤とは言えないことになる｡また,SAMによ る酵素の不活性化反応がビニルグリシンの生成を経て起こるとすると,不

20 Ado

cH3/LycooH

(

NH2 PLP･EH Ado I

cH3 /SLycooH

HE･PLP-N

=ycooH

HE･PLP■N COOH

.pL,.EH Hlk3

"H2    E Jyc∞H.pL, NH2 図4. SAMによるACC合成酵素の不活性化反応機構 Ado:アデノシン残基;EH:アポACC合成酵素;PLP:ピリドキ サールリン酸. 活性化反応全体では反応速度定数が0.01min 1になる｡ SAMによるACC 合成反応の速度定数と,酵素不活性化反応の速度定数の比は30,000であ る｡この分配比は, 30,000分子のACCの生合成が起こる毎に1回の酵素の 不活性化反応が起こること,言い換えれば1分子のACC合成酵素は不活 性化されるまでの間に30,000個のACCを生成することを意味している｡

これらの実験結果から推定されたACC合成酵素の不活性化反応の機構を

図4に示した｡

ACC合成酵素の不活性化反IJtJt 21 VI.おわりに 筆者らは, in vitroで明らかにされて来たSAMによるACC合成酵素の 不活性化反応が,植物体内でも実際に起きており, ACC合成酵素活性の速 やかな減少を通じてエチレン生成量の調節に重要な役割を果たしていると 考えている｡これは,次の2点を根拠にして充分に考え得ることである｡1 つには,ACC合成酵素がSAMを基質にして触媒するCα,Cβ一脱離反応と Cβ,Cγ-脱離反応の2つの反応が,酵素に本来備わっている触媒活性に基 づくものであり,inuivoとinuitroの違いを問わずに起こると考えられる ことである｡他の1つは,in uitroで求められたACC合成酵素の半減期が, 植物体内でこの酵素の活性が減少するときの半減期とほぼ一致することで ある｡例えば,黄白化縁豆下腔軸組織でのACC合成酵素の半減期は25分 と求められている17)0 in uitroでのこの酵素の半減期は, SAMの初濃度を 同植物組織内の濃度に近い40/JMとしたときに, 23.5分と求められた10)｡ トマト果実組織内でのACC合成酵素の半減期は,緑色果実で30-40分, 登熱果実で114分と求められている6)｡これらの値は,前に述べたin uiiro で求められた半減期の66分と良く合っている｡ しかしながら,この不活性化反応が植物体内で実際に起きてエチレン生 合成の調節に与かっていることは,SAMによって不活性化されたACC合 成酵素タンパク質や,あるいはそれがさらにタンパク質分解酵素の作用を 受けて生成した分解産物が植物体内に存在することを明らかにすること で,実証されなければならないであろう｡不活性化されたACC合成酵素が さらに分解されることは, ACC合成酵素の部分精製標品を[14C]-SAMで 標識した後,さらに長時間インキュベーションすると14C-標識されたタン パク質の分子量の低下が見られたことから,その可能性が示唆されている｡ 筆者らは,今後も, SAMによるACC合成酵素の不活性化機構をさらに詳 しく解析するとともに,この反応が植物体内でエチレン生合成の調節に果 たしている役割を明確にして行きたいと考えている｡

22

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198 : 280-286.

生態系におけるエチレンの

動態について

薄 田 信 一

はじめに

エチレンは化石燃料の燃焼,ゴミの焼却,生態系の改変あるいは破壊に 伴った有機物の消却などの際,およびェチレン･プラントからの漏洩によっ て大気に放出される2･3･7･25)｡これらの人為的なエチレン放出量は19世紀以 後の人口増加と工業化とともに急激に増加しつつあると考えられる｡そし て,都市周辺の汚染された大気中では,エチレン濃度が植物に対して被害 を与えるレベルに達することもあることが報告されている｡したがって,也 球上におけるエチレンの動態を明らかにすることは環境科学にお-ける基本 的問題の一つと考えられる｡

Ⅰ.自然界におけるエチレン放出量

陸上生態系におけるエチレン放出量の算出は植物現存童と土壌有機物量

を基礎として行った｡依田35)が区分した各種生態系ごとの植物現存童と土 壌有機物量の値を, WhittakerとLikens33)が区分した各種生態系に再構 成しなおした(Tablel)｡植物体によるエチレン放出は葉および枝からのみ

行われるものと仮定し,木本植物および草本植物の現存量当たりの葉枝量

の平均的な割合はそれぞれ0.3と1.0とした28)｡植物体からのエチレン放出 量をその生重量当たりで計算するために,木本植物と草本植物の乾重義と 生重量の比率は3.0と5.0とした32)0 Tablelに示した8), 12), 13)の各生 弘前大学理学部

.SlaVJOputZPtZO1JOtBu!snoqJuauJpputzqt:Jost:altZPaPnPuZ (C 亡 ○ 翫 ヽ.●- 宙峵 耳爾 ｢ 6 ﾂ $ﾂﾓ -<おL -coo ▼･.■ R粐闔｢ :≡ U 佗ﾈ O Cq

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生態系におけるエチレンの動態について 25

態系を構成する植物はすべて草本植物であり,その他の生態系を構成する

主要な植物は木本植物であると仮定した｡

我々の実験結果およびこれまでに報告されている各種植物の葉枝からの ェチレン放出速度の平均値は植物種によらずほぼ一定で,平均値1･2nl c2H｡g-1･fw･hr-1を各種生態系における植物体からのエチレン放出量の 算出に用いた23)｡ 地表面におけるエチレン放出あるいは吸収について検討した結果,Ao層 は好気条件下で多量のエチレン放出をすることが認められた｡また,一般 に各種生態系の地表面はA｡層で覆われており,各種生態系における平均 的なA｡層の量は平均して土壌有機物童の200/.であった28'｡好気条件下で の各種生態系の地表面にA｡層が堆積した状態での有機物当たりのエチレ ン放出速度はA｡層におけるその放出速度の平均値29.4nl C2H4grl･dw･ day-1であると仮定した23'｡各種生態系における植物体および地表面から のエチレン放出は植物の生育期間にのみ行われるものとし,各種生態系に おける植物の生育期間をTablelに示す日数と仮定した｡

汚染されていない表面海水中のエチレン濃度は北および南半球大気境界

層における平均エチレン濃度より高いことが知られている｡そして,エチ レンの海洋における濃度はMc-Auliffe17'の示したエチレンの水への溶解 度から計算された大気中のエチレンの水に対する平衡濃度よりも,少なく とも, 60倍高い｡したがって,エチレンは常に海洋から大気へ放出されて いる｡そこで,下記に示す大気と水面との間における気体の交換式を用い て,海洋から大気へのエチレン放出量を計算した｡

F-K (Cw-hCa)

F:気体の水面から大気へのフラックス

∬ :水と大気の間の気体交換係数(piston velocity, Broeckerと Peng6))

cw :水の表面混合層における気体濃度 ca :大気中の平均気体濃度

h:気体の水に対する溶解度

26

Table 2･ Latitudal distributions of average temperature, gas exchange coefhcient and ethylene concentration in the ocean, See text for

explanations.

Latitudes 彦Vﾗ surfacewatera) 冓nsurfacewaterc) W& GW&V b GaseXchange coetficientwater $よ6 V蹠& F柳

(DC) 友 ﾇ&" &6ﾒ襷 蔦 (nl//-I)

40oN-70cN 免ﾂ 3.52 絣 15凸N-40oN R 3.57 途紕 15oN-15cS r 2.88/ 釘纈 15oS-40○S 2縒 3.98 408S-70qS 澱紕 5.80 釘ﾃb Mean 3.95 釘縒

a'Calculated values from data by Peng el al. (1979). b'Estimated values based on data by Peng et al (1979) C'Calculated values from data by Swinnerton and Lamontagne (1974) and Lamontagne et al, (1975)

境界層の平均的な厚さとC02の分子拡散係数(1.9×10-5cm2･sec-1 at 24oC, Heimmelbau12))から計算した,大気と水の間のCO2交換係数,表面 海水温度,およびSwinnertonとLamontagne26)とLamontagneら15'が太

平洋と大西洋で測定した表面海水中のエチレン濃度の緯度別の平均値を示

す｡大気と海水との間のエチレンの交換係数はC02のそれと等しいと仮定 し, RasmussenとKhalil19)報告している南北両半球のエチレン濃度の平 均値0･11 ppbを,また海水へのエチレンの溶解度はMcAuliffe17)が測定し た水への溶解度(0.113cm3･cm 3,室温)を用いて海洋から大気へのエチレ ンのフラックスを計算した｡また,陸水生態系の淡水は海洋と同じ濃度範 囲のエチレンを含むと仮定した｡そこで,上記のフラックスの式が地球上 の全海洋および陸水生態系に摘用されるものとして,全水界面積365×106 km2における,水面から大気へのエチレン放出量を計算した｡

ⅠⅠ.人為的なエチレン放出量

1980年における,全世界での各種化石燃料消費量と工業用エチレン生産 量をTable3に示す29,30)｡また,世界全体におけるゴミ焼却量は米国におけ るその壷の5倍であると仮定した22'｡地球上における,各種陸上生態系の改

生態系におけるエチレンの動態について 27

thropogenic sources in the world

'1'ableこi.し2H4emlSSl 柳貮$ ﾖﾖ ｢ 8 ｲ邑$6R OrantnrOpO factorof ﾂﾘ 2 f 7G" ｖb C2H4emission

(1uaⅠttlty (×10gt.yr1) 唯ｷF G& 6&& 7B蹐 C2rI4 (米lo-3t.t-I) 宙 ③逞(8｢ 竰

C(ーal(total) ﾃcr 0_07 ｓB ().425(2.7) Electricpower 2 .()()4(0.0) 1_07 釘ﾃB 0.35 ,b B r)omesticandcommercial r 2_1 ∩.()7 宙爾 R o_041(0.3) 1296(82) Fueloll(t()tat) 紊 緜" 紕 0.87(5_5) Dieselfue1 S 微#86ﾖﾂ 0.17(1.1) Electricp(ーWer B 0.001(().()) ().55) 迭 0.44 C" 絣 Domesticandc()mmercial 嫡偵S" 0_4 ﾆ R ().01.'う(O.1) (日ー(州(∩())

(JaS(total) I〕P(; ｓb 貳ﾂ 0.07 窒停ｒｓB ().o()0(0.0)

Naturalgas 迭 0.0() 窒窒窒 0.000(0_0) 0032(02) Leakagefrt)mC2H.1ndustry Refuseburning 跂2 經 2.6 窒宝" 0,100(0.6) Ecosystembuming U b 1日 纈 14.04(榊.3) T()tal 5 3R 5.893(1()Ot)) 変あるいは破壊に伴った全炭素放出量の算出のための諸要素については不 明確な点が多く,全炭素放出量の推定値は0.4-20×109t･yr-1と広い範囲 にある｡ここでの計算には, Woodwellら34)の推定した炭素量(7･8×109t･ yr-1)がすべて人為的な生態系の有機物燃焼の際に放出されたものと仮定 し,この値を2.2倍して,燃焼された有機物壷とした｡また,生態系の改変 あるいは破壊に伴ったエチレン放出は有機物燃焼の際のみに生ずると仮定 した｡ 世界最大のガソリン車所有国である米国の1972年から1980年の排気ガ ス規制における総炭化水素親制値は日本における規制値にほぼ等しい｡両 国以外の諸外国の排気ガス規制の実態は両国に比べて緩やかであるか,あ るいは不明であった｡そこで全世界における1980年当時使用されていたガ ソリン車の平均的な燃料消費量当たりのエチレン放出量は我が国の 一次お よび二次規制時と規制以前の値の平均値1.4×10 3t･t-1と仮定した9,10･36'｡ ディーゼル車の排気ガス規制は1980年まで我が国および米国では行わ れていなかった｡また,ディーゼル車の燃料消費量当たりのエチレン放出

二/一PL言01UVjNOJSSENu uN31H13

TOTAL HYDROCARBON EMJSSION FACTOR(Xl-dm)

Fig･ 1 Relationship between ethylene emission factors and total

hydrocar-bon emission factors･ The numbers from 1 to 3 in鞄ure represent

the data from Feldstein el al. (1963), Darley el al. (1966) and Boubel et al. (1969), respectively.

量は0･31-0･37×10 3t･t 1であったので,その平均値0.34×10-3t･t-1を 算出に用いた16,20)｡ ガソリン車とディーゼル車以外での各種化石燃料を初めとする人為的な

各種有機物の燃焼時のエチレン放出量は有機物燃焼時における総炭化水素

排出率とエチレン排出率の関係から求めた(Fig.1)｡この場合,各種有機 物の燃焼方法別の平均総炭化水素排出率はEPAおよび東京都(1978)の資 料を基礎にした8,21'｡また,エチレン工業における,原料のエチレン生産か らその加工過程までの間におけるエチレン漏曳率については資料が少ない が, 1-40×10 3t･t 1の範囲に積られている1･27'｡ここではエチレンの漏曳 率を1×10-3t･t-1と仮定した｡

生態系におけるエチレン0)動態について 29

ⅠⅠⅠ.対流圏におけるエチレンの分解量と対流圏外へのその移

出量

エチレンは二重結合を有した分子であるため,大気中ではOHラジカル または0｡と速やかに反応し,その大気滞留時間も極めて短いと考えられ る｡したがって,地表から放出されたエチレンは大気中で垂直および水平 方向での大気との十分な混合を受ける以前に,速やかにOHラジカルまた は03によって反応を受けると考えられる｡そこで,エチレンとOHラジカ ルあるいは03との反応壷の計算においては,これら三つの分子の密度の

南北両半球および高度別分布状態のみを考慮に入れた｡

Fig.2にRasmussenとKhalil19)のデータから計算した南北両半球の対 流圏内における,エチレン密度の高度別分布を示す｡対流圏に存在するOH ラジカルの平均密度はFishmanとCrutzenll)によって計算で求められた oH CONCENTRATLON(XlJ c琉 0       5         100 oH CONCENTRATlON(XI05 ｡if) 5 10 0 .,C｡N｡ENTとAT..∼(X.掴 20 0, ｡.N｡ENTRiT,.N(X.d2｡L3) 2

o c九CONCE孟T｡AT.ON',.♂お 5 0 cFi CON｡E孟TRAT.｡N'X,♂畠 5 NORTHERN HENISPHERE SOUTHERN HErvll SPHERE

Fig 2 Vertical distributi()ns ()f annual diurnaly averaged concentration of

C2H4, 0H radical and 03 for the northern and southern hemispheres,

The solid lines, concentrations of C2H｡ ; long-dash lines, ()i OH radical ; short-dash lines, of 03.

.i=

値を用いた(Fig.2)｡エチレンとOHラジカルの間の反応定数は,

Atkinson4)の測定した反応定数2.18×10-12 e(700±300/RT) cm3 molecules 1･

S 1[(7.85±0.79) ×10 12 cm3 molecules 1･S l at 26oC]を用いた｡

エチレンと03の反応崖の計算には, SeilerとFishman24)の測定データ から計算した対流圏内の平均03密度をここでは用いた(Fig.2)｡エチレン

と0｡との問の反応定数は, JaparとNiki14)による反応定数の実測値 1.9×10-18cm3molecules 1･S-1を用いた｡対流圏における,エチレンとOH

ラジかレまたは03との反応童の計算には, U.S. Standard Atmosphere Supplements31)の資料を用いた｡また, eddydiffusionによる対流圏から成 層圏へのエチレンの移動量の計算においては,垂直方向への分子拡散係数 は1×105cm2･sec 1とした｡

ⅠⅤ.地球上から大気へのエチレン放出量

自然生態系からのエチレン放出量のうちで陸卜生態系からは16.6×106 t･yr 1,また,水界生態系からは3.1×106t･yr-1の放出量が見積られ,両者 を合わせた全地しの自然界からのエチレン放出量は19.7×106t･yr-1と なった(Table3)0 人為的な全エチレン放り題は15.9×106t･yr 1と算出され,この値は自 然界からの全エチレン放出冠に匹敵する大きさであった｡しかし,この人 為的なエチレン放出量のうちで,化石燃料の消費時,ゴミ焼却時およびェ チレント.業からの漏曳などによる放出崖の占める割合は少なく,全体の ll.1%にすぎなかった｡ ･万において,生態系の改変あるいは破壊の際の 有機物燃焼によるエチレン放出量は14.0×106t･yr 1と極めて大きく見積 られ,この値は人為的に放111された全エチレン星の88.3%に達したo 地球1てU)自然界および人為的な全エチレン放出量は35.6×106t･yr l と見積られ,このうち,自然界の生物による放出量は約半分の540/.であ-) た｡ Abelesらl)は1966年当時o)米国における全エチレン放出量を13.5× 106t･yr 1と見積り,この量の9()%以上がガソリン車から排出されるエチ レンであると推定した｡この場合,自動車によるガソリン消費量当たりの

Ff:.態系におけるエチレンの動態について 31 エチレン排出率を50×10 3t･t 1と仮定した｡この割合は当時の米国のガ ソリン車での実測値と比較して10倍も高い9･10)｡ 地球全体,陸上生態系,水界生態系および都市域(3×106km2,依田35)) における面積当たりのエチレン放出崖は,それぞれ0.068, 0.22, 0.006そし て0.82gm 2･yr 1であった｡人口が集中し,化石燃料消費の大部分を行っ ている都市域における面積当たりのエチレン放出量は陸上生態系のそれの 約4倍であった｡

Ⅴ.地球上から放出されたエチレンの対流圏における動態

ここでは,地表から大気へ放出されたエチレンの分解過程としては対流

圏に存在する光化学反応生成物質で,特に多壷に存在し,反応性の高いOH

ラジカルと03とエチレンとの反応のみを考慮した｡対流圏内におけるエ チレンのOHラジカルとの反応量は36.9×106t･yr-1,また03との反応是

Table 4. Global ethylene budget.

S()urces(ーrSinks ｗW&6W V 蹤宥 C2H4quantity (×1O9t.yrw1) 宙 ③逞# 峯 S()urces Natural(total) c #2 R 19.7(55.3) Terrestrialecosystem 6.6(46.6) Aquaticecosystem .1(8.7) Anthr()p｡genic(total) 5.89(44.7) C()alc()mbusti()n 緜r 0.43(1.2) Fueloilcombustion 紊 1.30(5.6) Gaseombustion b 0.00(0.0) Refuseincinerati(ーn/ 窒偵Rｒ ().川(0.3) LeakagefromC2H4plant 2 0.03(0.i) Forestfireinec()system R綯 14.04(39.5) 1､()talsources 5,59(100.0) Sinks C2H4十OH-CH2(()H)CH2 36.9(75.8) C2H4+03-products 0.1(20.7) Ⅰnt()strat()sphere .7(3.5) Totalsinks 8.7(1()0.0)

32 ばlo.1×106t･yr 1と算出された(Table3)｡したがって,大気中に放出さ れたエチレン崖の2/3以上がOHラジカルとの反応によって分解される｡ 大気中に放出されたエチレンで対流圏内で分解を受けずに,eddydiffusion によって成層圏に運ばれる量は1.7×106t･yr11とごくわずかであった｡ Fig.2に示した対流圏における高度別のエチレン密度分布から計算した 対流圏内に存在する全エチレン量は0.36×106tであった｡この値と上記の 地球上でのエチレンの全source量および対流圏における全sink量から計 算した,人気中におけるエチレンの滞留時間は3-4日間と非常に短かっ た｡ 人為的なエチレン放出蔓の中で,特に陸上生態系の改変あるいは破壊の 際のエチレン放出量は極めて多く,自然界の生物起源のエチレン放出量に 匹敵した｡しかし,大気中のエチレンの滞留時間が3-4日間と非常に短い こと,さらに,この生態系の破壊が,主として,低緯度地帯を中心に行わ れており,･この地帯では垂直方向への大気の移動が活発に行われている｡し たがって,この人為的に多星に放出されるエチレンが大気中のその濃度を 高めることによって,植物ホルモンとして,植物に対して影響を与えるの は破壊が進行ttJの生態系の周辺部分の極めて限られた地域であり,地球的 な規模での大きな影響力を持つことはないと考えられる｡ しかし, Abeles2)が総説しているように,交通量の多い道路周辺,あるい

は多量の化石燃料の消費を行っている工業地帯周辺などの限られた地域で

は,人為的に放出.された多量のエチレンによって,汚染大気中のその濃度 が高められ,極所的ではあるが,植物特に作物および園芸作物に生理的障 害を与えることがある2,3-7･25)0

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種子発芽とエチレン

江 刺 洋 司 種子の発芽は,種子を構成している組織のうち生長力を持つ組織の生長 力の和が,それを取り囲む種皮構造を突き破るに十分なものに達した時に だけ起こる生長現象の一つである4)｡一方,種子は休眠さえしていなけれ ば,それぞれの最適温度条件下で水と酸素が与えられた時,発芽すること になるo つまり,種子のなかで生長力を持つ軸組織,腔芽･下腔軸･幼根･ 子葉柄や子葉は基本的には上二記の三要素だけに支えられて生長することに なる｡しかし,自然界ではこれらの三者は季節的に変化するだけでなく,数 日おきにあるいは一一日を通じてt)変化するのが常であり,それらの生長に 都合良く一･走に保たれることはめったにないo そこで,種f･の方はそれを 補うために,地1二に転がるような小さなものでは光を利用することになり, 一万,やや大型で地下の閉鎖環境に潜り込むようなものであれば,上壌そ のものに含まれるC02やエチレンガスを利用することになる｡これらのガ スは種子自らによって放出されるだけでなく,多くの土壌微生物によって も放出されており,エチレンは時によっては10ppmを越え,植物ホルモン の･つとして十分に有効な濃度になっている｡この意味でチチレンは種子 発芽のような閉鎖環境で起てる現象では,最重要な生態制御lXjfと云い得 る｡また,発芽が生長現象であることからすれば,ジベレリン(GA)やサ イトカイニレン(Ckn)等のように植物組織の生長を促進する植物ホルモン が発芽の制御に関わることになるのは当然で,エチレンの働きを考えるに 際してこれ等の植物ホルモンとの関わりも無視し得ないことになる｡しか 東北大学教養部

36 表1.発芽制御L*]子の作用の多様性 内f 佰 ｢ 十 ﾒ - 赤色光 ﾈ5 4 (7邃ﾈ肩靏B竰 マメ類 イネ等 ﾈ686ﾈ4ｸ8H,ﾉ(xｭB 遠赤色光 _{オナモミ(下位種子)} (4ﾘ,ﾉ(xｭB マメ類 _{86ﾉ9 オナモミ(卜,下位種ア.)} ﾈ5 ジベレリン ﾈ5 オナモi マメ類 H7ﾘ6ﾘ488" サイトカイ二ン ﾈ5 4 (7 マメ類 X6 エチレン ﾈ5 ｲ マメ類 88 4ﾈ986 48,ﾉ(xｭB オナモミ 86ﾉ9 オオバコの仲間 し,これらの関係は生態学的見地からはさはど重要とは思われないので,そ れらについてのここでの紹介は省略する｡ ところで,上記の三要素は自然界では時によって発芽に不適当で,逆に 休眠を深めるように働くことがあるが,表1に示すように補助因子の方も 必ずしも発芽を促す方向だけに働くとは限らない｡エチレンもある種子で はあってもなくても良い存在であり,他においては寧ろ発芽を抑えるよう にさえ働く｡無論,種によって発芽適期が異なると云うことから,種子自 らによるエチレン放出量も微生物によるエチレン放出遠も共に大きい夏期 における発芽を好まない場合には,エチレンがその発芽を抑制することも あり得ることになり,これも生態学的な意味を持つことになる｡しかし問 題はエチレンに対する反応性の差を種子の種に遠いだけに単純に帰せしめ 得ないことにあるo 例えば,オナモミ(Xanthiumpennsylvanicum)の上 位種子の発芽は26oC以下ではエチレンの濃度に従って増大するが,それ以 上の温度ではある濃度まではエチレンによって寧ろ抑制される,しかしそ の濃度を越えると抑制の程度は再び減少する(図1)｡しかもこのような低 濃度エチレンによる発芽抑制が起こるためには,種子が前もって少なくと も8時間以上浸水されてなければならない｡これらのことは自然生態系に おけるエチレンの発芽制御作用が複雑かつ多様であることを示唆してい

種子発芽とエチレン 37 1   10   100 C2H4 (〃L/L) 0    0.1 図1. 23 (●)および33(○) oCでのオナモミ上二位種子の発芽に対するエナレ ンの影響 る16)0

Ⅰ.エチレンの生成

種子におけるエチレンの生成も他の植物器官の場合と同様にMeth-ionine-SAM-ACC-エチレンの過程を通じて起こり.32',後熱中の休 眠種子は僅かしかエチレン等生成し得ない25･33)0 -一般に種子におけるエチ レン生成は発芽が始まる少し前から始まるが,その生成様式は種によって 異なる｡しかしどの種子の場合にも,エチレン生成の最初の山は種皮を通 じての幼根突出に際して起こる｡多くの場合に発芽は土中と云う閉鎖環境 で起こるだけに,種子自らが呼吸で放出するC02も種子におけるエチレン 生成を協調的に促すことになる25･17)｡しかも,C02によるエチレン生成の促

進は閉鎖環境下でありがちな低酸素分圧下でも起こり得ると云う特徴を

38 持っている15)｡しかし,吸水種子が不適な環境に置かれると,種子の呼吸活 性の低下と共に, C02とエチレンの排出量も減り,レタス1)もオナモミ12) も二次休眠に入る｡

ⅠⅠ.エチレン作用と環境因子との関わり

1.光:いわゆる光発芽種子の光依存発芽は開放系環境下でのみ起こる 現象であるが,自然界では時によってこれらの種子が上中に埋れることも あり,発芽のためにC02やエチレンに感応する性質を兼ね備えることにな るo しかも,フイトクローム(Pfr)もエチレンも発芽を促すことから,そ れらの作用が飽和していない場合には,両者は相加的あるいは相助的に働 くことになる｡しかし,光発芽種子であるオナモミの上位種子で見るよう に,エチレンの発芽制御作用は既存のPfrを長時間の暗処理で除去した後 でも, C02のそれと異なって発現し,赤色光や遠赤色光によって影響を受 けない(表2)18)｡このことからエチレンとフイトクロームは相互_に独､ンこし て発芽の制御に働いていることが分かる｡ 炎2 オナモミ上位種子U)発芽における光依存性 EXperiment " C2H4 牌W&ﾖ匁 F柳竄R Dark FR ｴe" 1 偖ﾂ 十 十 3R絣 . り 32.0 25.0 3b紕 2縒 + 8.2 涛"絣 1()() 2 調 十 十 3b繧 縒 3.5 33.9 28.6 1.8 37.5 1.8 十 1.2 都R 都B縒

Experiment 1, seeds were soaked at 230C in the dar, for 1 week, then

irradiated by 5 min 良 or 50 min FR, excepting dark controls, and incubated

with 3% CO2 and/or 30FLl/I C2H｡ at 23cc But in experiment 2, theywere soaked in the dark for 16h, then irradiated by 5min R, excepting dark

controls, and followed by 50 min FR, before being incubated as in experi一

種子発芽とエチレン .'i9 2.温度:温度が種子における基本的な代謝活性を支配することは云う までもないが,先に述べたようにそれに伴ってC02やエチレンの生成系に 対してだけでなく,種子のエチレンに対する反応性にも影響するので,堤 度はエチレンの種子発芽への関わり方を決める上で重要な環境因子となっ ている｡多くの種子で,高温下での水浸は, 02供給が不十分ならば,二次 休眠を誘導し,エチレンへの感応性を低下させることになる2･12)無論,自然 界での土壌温度の日変化は,それが適正範囲でのものならば,それ自体が エチレン作用と無関係に種子発芽を誘導することもあるので,自然の閉鎖 環境下での種子発芽に際してはエチレンは脇役に過ぎないこともあるかも しれない｡しかし,アオビュ(Amwanthus ret710jlexus)ではエチレン吸収 剤の存在下で変温効果は見られないと言う報告34)があるので,自然界での 温度変化は二次休眠種子のエチレンに対する反応性を再賦活させることで 休眠を覚まし,それらの春の発芽を誘導しているのかもしれない｡ 3.水ストレス:湿潤と乾燥を繰り返す自然は種子にとって克服すべき 過酷な環境であるが,このような環境は実験室ではmannitolやpolyethy-leneglycol溶液による水ストレスや, NaCl溶液による塩ストレスとして 再現され,そこで起こる発芽抑制を回避するための手法が検討さ･れている｡ その結果,この種のストレス克服のための主役はエチレンで,その作剛j: エチレンがGAsやC02と組み合されて与えられた時に助長されること が,レタス29),アオビユ26)およびオナモミ21)等で知られている｡以前はスト レス克服の主役はCknと考えられていたが,【最近になってKhan & Huang27)はCkn作用の中には, Kin処理に際して形成されるエチレンの 作用を介する部分があることを明らかにしている｡つまり,レタスにおけ る塩ストレスの回避では, -エチレンの前駆物質であるACCとKinの間に 相助作用が成立することになる｡ちなみに,オナモミ下位種子は23oCでは 0.3Mmannitolを限界濃度として発芽することができるが,エチレン存在 下での限界濃度は0.47Mにまで上昇する27)0 4.土壌肥沃度:多くの種子でNO3-は発芽を促進する｡最近, Egley3) とSpencerの研究グループ30)はスベリヒユ(Portulaca oleracea)およびア カザ(Chenopodium album)を用いて,種子のNO3-含有量がエチレンの