植物の系統発生と重力反応

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ロ6匿シリーズ同*

植物の系統発生と重力反応

′

lG∈

東北大学遺伝生態研究センター

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I GEシリーズの発刊にあたって

地球上の環境は,今,かってない大きな問題に当

面しております｡世界各地で進行している生態系の

急速な変化のなかには,人間生活に深刻な影響をも

たらす可能性のあるものが,多数含まれています｡一

方,人間の活動が宇宙空間へと拡がるにつれ,地球

外生態系の構築が,新しい課題として登場しつつあ

ります｡生態系の崩壊を防ぎ,より豊かな環境を創

造するための科学的努力が,今日ほど強く求められ

ている時はありません｡

本研究センターは, DNA分子技術を中心に遺伝

子的段階にまで到達した生物研究の諸成果を生か

し,生態系における生物の生活を一層深く解明し,新

たな人間環境の創造に貢献することを目指しており

ます｡いうまでもなく,この課題はきわめて学際的

であり,多分野の研究者との相互交流と協力によっ

て,はじめて達成されるものであります｡本研究センターでは,ワークショップによる研究者間の討論

と意見交換を重視するとともに,その成果をより多

くの方々にご利用いただく出版活動にとり組んでお

ります｡ここに発刊しますIGE(Institute of Genetic Ecologyの略)シリーズも,こうした努力

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の一環であります｡

本シリーズの内容は,多岐にわたる可能性をもっ

ておりますが, 3つのタイプに大きく類別されるだろうと考えておノります｡すなわち, (i)特定のテーマ,又はトピックについての解明に関するもの(* 印を付します), (ii)特定のテーマ又はトピックに

関する最新の文献,実験法の紹介に重点をおくもの

(**印),そして(iii)新しい可能性を求める学際的交流,対話を試みるもの(***印)であります｡このIGEシリーズが,多方面の方々のお役に少しでも立つことを願って,発刊の辞とします｡ 1989年3月

東北大学遺伝生態研究センター

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IGEシリーズの発刊にあたってワークショップのねらい菅洋---･･- 1 重力研究の史的展開藤伊正--･--･--- 3 細胞性粘菌の生長に対する人工重力の影響河崎行繁-･----･-- 9 ヒゲカビにおける重力屈性大瀧保--･･･-･ 17 藻類,コケ,シダ類の重力反応片岡博尚-31 高等植物の重力反応根の重力反応鈴木隆 --- 49 高等植物の重力反応電気生理の立場石川秀夫･---･- 61 高等植物の重力反応突然変異種の利用高橋秀幸-･--- 69 高等植物の重力反応細胞壁研究の立場神坂盛一郎･保尊隆享- 83 ワークショップのまとめに代えて菅洋･--91

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ワークショップのねらい

菅洋植物は地球上の異なった環境下におし)て,それにうまく適応しながら種の生活を保証し,更にそれぞれの種の繁栄を計っているが,そのためには地球上において遭遇するあらゆる環境変化のもとで,そのシグナルを受け止めその情報に基づいて,形態を変え生活環を調節しながらその変化に対応しなければならない｡地球上に恒常的に存在する環境要因のなかで特に興味深いものの一つに重力がある｡重力は,人類が宇宙空間の開拓の端緒を開くことに成功してから特にその重要性を増している｡将来,人類が宇宙基地を建設しそこで恒常的に活動を行うようになるためには,生物活動と重力との関連についての基礎的知見の蓄積が不可欠であろう｡地球上の生物は, 1gの重力の下で進化してきた｡したがって,その生活環の回転にあたっては,重力にたいする反応を多くの場面で巧みに利用している｡当センターにおいて,共同利用研究課題として｢植物の環境適応の遺伝生態的研究｣と｢地球外環境における植物の適応性の研究｣を取り上げているが,今年度はこの両方に関連するものとして,植物の重力反応の問題をとりあげワークショップを開催することとした｡そのため,重力反応研究のこれまでの歴史的展開について整理するとともに,進化程度の異なる生物(動物は除く)における重力反応研究の現状を把握し特に,重力刺激の感受,刺激の伝達,反応の生起までの各ステップについて,粘菌,ヒゲカビ,藻類,コケ,シダ類,高等植物などにおけ東北人学遺伝/i:.態研'jt:センター

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る研究の現状を整理することとした｡そのため,上記の各植物について研究しておられる我が国の第-線の研究者の万に御協力をお願いした｡当ワークショップの意図するところを御理解下され,御参加戴いた研究者の方々には心からお礼申し上げる次第である｡本ワークショップは1988年12月5-6日の2日間東北大学遺伝生態研究センターにおいて開催された｡本記録は,当日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｡

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重力研究の史的展開

藤伊正土に根をおろし,不適当な環境下から逃げだすことのできない植物は,その環境の中で環境要因をそのまま受け入れて生活をしなければならない｡その点で,これらの植物は地球そのものであるといえるかもしれない｡環境要因には, 1)温度変化のように不定期に変化するもの, 2)日長変動のように定期的に変化するもの, 3) 24時間周期,重力のように変化しないものがある｡植物は不定期な環境変化に対しては劇的な対応をせず,定期的な環境変化に対しては極めて敏感に応答し,形態分化などを起こし,坐活形態を変えることが多い｡一方重力のように不変の環境要因に対してはその研究が難しく応答機構の解析が遅れがちであることは否め･ない事実であろう｡しかし,幸いなことに重力には方向性があり,植物はこの方向性に対応して生活を営むように仕組まれている｡土壌に落ちた種子からの幼根は地中へ,幼茎は空中へと生長する｡これは一例であり,一般に器官の生長は重力に応答して起こる｡この見なれた現象は植物がその個体を支え,水分･養分を吸収し,光合成を行なうなど植物が生存するためにきわめて重要な役割を担っている｡植物に対する重力の研究はクリノスタットを用いて重力が植物の姿勢制御を行なっていることを示した1873年のSachsの研究に始まる｡ 1881年 C. Darwinが屈地性の反応部位は重力感受の部位と必ずしも一致しないこ筑波大学生物科学系

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とを示し,それ以来,多くの研究によって重力感受から屈曲発現に至る過程の解析がなされてきた｡ 1979年H.HauptandM.E.Feileibにより,電力屈曲には①根冠における重力の感受②興奮③生長素の極性分布 ④生長素の移動による刺激伝達⑤生長帯における反応の素過程が含まれることが論じられるようにな-)た｡

Ⅰ.重力の感受に対する研究

1966年, B.E.Julliperらはトウモロコシの板冠を除去すると重力感受性は完全に失われることを示して重力の感受には根冠が重要な働きを持つことを示唆した｡根冠にはコルメラ細胞と呼ばれる細胞群がある｡これは根冠の中央部に位置し,比較的大きく,特徴として数個のデンプン粒を含む沈降性アミロブラストを持ち液胞の発達がみられず,小胞体がよく発達した細胞である｡ 1900年, G.Haberlandtはコルメラ細胞に存在するアミロブラストが重刀に応答して細胞内を自由に動くことのできる細胞内小器官であることから,アミロブラストースタトリス説を提唱した｡根冠を除去すると重力感受性が消失することは前に述べたが,重力感受性の回復はアミロブラストの形成と対応していることも示されている｡この説の妥当性は多くの植物種で認められているものの,コルメラ細胞のアミロブラストが極端に減少したシロイヌナズナやトウモロコシの突然変異体も重力屈性を示す例や, アミロブラストは存在するが,その沈降と屈曲の開始とに相関がみられないという報告もあり,未知の感受体の存在も無視できない現状にある｡双子葉植物の茎,幼葉鞠などでは,先端部を切除しても屈曲が観察されることから,苗条の重力屈性に関しては,感受部位は生長軸に沿って広い範囲にわたっていることが示されている｡沈降性アミロブラストはデンプン鞘細胞に局在し,その重力に対する沈降は早く,アミロブラストの消失と同時に屈曲の消失がみられることから,現在でもアミロブラストの沈降が-一応重力感受の最初のステップであると考えられている.

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重)]研究J)史的娯開 L)

ⅠⅠ.重力刺激の変換に対する研究

アミロブラストの沈降自体が生理的情報への変換に関与するとは考えておらず,アミロブラストと他の細胞構成器官との相互作用が必要と考えるのが一一一般的である｡アミロブラストースタトリス説を提唱したHaberlandtは,アミロブラストと直接に相互作用する構造体は細胞膜であり,それによって細胞膜の透過性が変えられると考えたが, 1976年, B.E.Juniperは電子顕微鏡での観察からアミロブラストは細胞膜から離れて配置することを確認しこの考えを否定した｡ 1980年代に入ってA. Sieversらはマメグンバイナズナを用いてアミロブラストと小胞体(ER)の接触による相互作用の重要性を主張した｡重力刺激を与えたとき,上側のコルメラ細胞と下側のそれとでアミロブラストとERとの物理的接触の不均等が非対象的な膜電位変化を引き起こし,それがERからのCa2+の流出の不均等を誘起すると考えた｡これが事実とすると上下のコルメラ細胞での屈曲関与物質の輸送に不平等をもたらす可能性も考えられる｡しかし,他の数種の植物でコルメラ細胞の左右対称的な配置が観察されない事実,またER自体が分布を変える種もあるなどのことから,現在 sieversらの機構を直ちに他の植物にあてはめることはできない｡ 1976年, Juniperはコルメラ細胞には他の細胞より原形質連絡が多く存在し,またdesmotubleがその中を貫通していて,隣り合う細胞のERと接続しているという報告に基づき,重力刺激を受け,ERによってその原形質連絡がふさがれてしまうと化学物質の細胞間移動が停止し,これが重力刺激の伝達に関係すると考えアミロブラストー原形質連絡バルブシステムを提唱した｡また1978年,M.Wilkinsはアミロブラスト膜が帯電しているならば,アミロブラストの沈降はコルメラ細胞内上下で電気的極性を生じさせることになり,それが細胞膜の透過性に影響を与える可能性があるという考えを提出している｡

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また茎では,根のコルメラ細胞とは違い,デンプン翰細胞では中央に大きな液胞が発達し, ERはほとんど見られないという特徴をもっていることから,アミロブラストの沈降はER膜ではなく,細胞膜やトノブラストと相互作用を持つものと考えられている｡一見,重力の作用はアミロブラストの沈降を引き起こすのみと考えられるので,その作用の機構は単純そうにみえるが,いまのところ重力刺激の生理的情報への変換の機構を一般化できるモデルはない｡むしろ種々の材料の結果から共通項を探し,重力刺激の変換機構を系統的に分類する試みが必要のように思われる｡

ⅠⅠⅠ.情報の伝達に対する研究

屈曲応答は根冠から数nlm離れた伸長帯で起こることから,根冠から伸長帯への情報の伝達が必要であることは明らかである｡ 1981年にJ.Shen-Mi11erらは分裂帯での細胞分裂の不均等を観察し(下側における分裂促進)たが,コ/レヒナンを処理して分裂能力を下げても屈曲は無処理と変わらず重力屈曲における分裂の関与は否定される｡ 1970年代の初め頃からM. WilkinsやP.E. Piletのグループは,根冠の一部を切除したり,不通性の薄板を幼根の種々の位置にさし込んで,屈曲に関与する化学物質の性質･輸送特性を明らかにすることを試み, ①根冠は水溶性の生長抑制物質の供給源であり, ②幼根を水平に保持した場合, その生長抑制物質は根冠(Piletは根冠だけでなくその近傍も関与すると述べている｡)で重力方向(下方)に移動し, ③伸長帯へ求基的に輸送されることを示した｡これらの結果は,屈曲は幼根の伸長帯での生長抑制物質の偏差分布により,主に伸長帯下側の伸長が抑制された結果であると考えられた｡生長抑制物質が何であるかを決定する研究はColodony-Wentの仮説に端を発し,植物ホルモンを中心に数多くの研究がなされてきたが(宮崎厚･藤伊正;高等植物の重力屈性,植物の化学調節22巻1987年参照),その結果は実験材料が異なれば異なり,実験条件によっても差があり,植物ホルモンの偏差分布が屈曲誘導の要因であるという考えを統一的に重力屈性

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Lfi')]研究J)史的展開 7 の発現にあてはめることができないことを示している｡今後,ホルモン間の相互作用も含め検討する必要があるかもしれない｡ 1983年のJ.S.Leeらの研究以来,幼根の重力屈性にカルシウム(Ca)が重要な働きを持つことが明らかになってきた｡ 2価金属イオンのキレート剤として知られるEDTAをトウモロコシ根冠に処理すると屈曲が抑制され,その抑制はついでCaC12を処理すると解除される｡また,鉛直に保持した幼根においてCaC12あるいはEDTAを根端の左側,あるいは右側に非対称に処理すると,屈曲はCa側,あるいはEDTAをさける側へ起こることも示され,根冠におけるCaの勾配が屈曲に重要な相関を持つことを示している｡近年,宮崎らはトウモロコシを用い,種々の条件下における根冠および伸長帯での内生Caの定壷を行ない,重力刺激に対応して根冠と伸長帯で Caの偏差分布が起こることを示した｡ただ,伸長帯における上下組織のCa 濃度の差0.1 mMは伸長に影響を与えず,ABAとの相互作用が必要であることを指摘している｡この事に関しても今後の研究が必要であろう｡この他にも石川はソラマメの幼根を用いて,重力刺激後30秒以内に伸長帯における皮層細胞の膜電位が変化することを観察し,重力刺激は最初に一連の電気的変化, (イオン輸送の変化)に変換･伝達されるとの考えを提唱している｡また,重力刺激後10-20分で伸長帯におけるプロトンの放出に変化を生ずる事,そして重力屈性を示さないものではそのような変化を示さないことから,この変化が重力の刺激伝達に重要な役割を持つと考える研究者もいる｡さらに未同定物質が関与するという報告もあり,現在でも混沌とした状態にあるといえる｡茎においてはIAAが刺激伝達物質であるという研究が多いが,今後,これら重力刺激に伴う変化と植物ホルモンを始めとする物質の動向との関連が明らかにされること,そしてその関連がタイミングの面で屈曲を説明できるかどうかが残された課題であろう｡

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細胞性粘菌の生長に対する

人工重力の影響

河崎行繋 Ⅰ.はじめに生物を取り巻く環境因子の中で重力は特別なものである｡その理由は生物が誕生して以来重力の大きさがほとんど変化しなかったため生物は1g 以外の重力を経験していないからである｡この場合,生物は1gで最大の能力を発揮できるように環境適応してきたのかまたは1gではその能力の一一郡しか発揮できずむしろ1g以外のところで最大能力を発揮できるのかは興味のあるところである｡もし後者が正しかった場合,生物現象の素過程を調べる場合に1g以外の重力下で研究する事が有利になるはずである｡現在まで実験手法の問題のために重力が生物の生長にどのような影響を及ぼしているかという点に関しては高等緑色植物以外では余り系統的には調べられてこなかった｡一般に生物のある機構を研究しようとしたらその目的のために最も有利な材料を選ぶ事が成功の大きな鍵である｡しかしこと重力応答に関しては有利な材料どころかどういう生物が重力に応答するのかすら解っていない｡従って,現段階ではなるべく多くの材料を使ってまず重力応答の有無をそしてその中から重力応答の研究に有利な生物を選ぶ必要がある｡また重力応答機構の共通性,特殊性を知るにも多くの生物を材料とすべきである｡このような理由から我々は通常カビと呼ばれるものに属する細胞性粘菌の生長に重力がどのような影響を及ぼしているかという点について調べた｡三菱化成生命科学研究所

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(1)子実体期(2)胞子(3)発芽期(4)増殖期 (5)集合初期

-∴-

▲_---A -箪∵虚

. ∴ 二二一一一一 (9)子実体形成期 (8)移動休期 (7)移動体抑期 (6)集合体累月

図1細胞性粘菌, Dllc/yotdellllm dLL.bl(.()idellm, a)生活環(1, -･都改変)

細胞性粘菌は休1卜状態では(1)のf･実体期にある｡ f･実体は胞f-を収納している胞子炎とそれを支える茎からなるo この状態においては細胞の種矧ま胞子細胞と茎細胞の2種類である｡湿度が高し状態で機械的刺激が加わると胞71ノ炎が破れ,胞fや地表にちらぼる(2)｡その後,胞子は条件が良ければ発芽してアメーバ状細胞となりまわりJ)バクテリアを食べて細胞増殖する(3.4)｡餌がまわりに無くなるとアメーバ状細胞は寄り集まって集合をつくる(6)｡集合体の中央が盛り上がりそこが横に倒れて細長し､移動体となり地表を活発に動きまわる(7.8)｡その後,移動体は動きを止め丸くなり中央部がLに伸びだし再び子実体を形成する(9.1)0 移動体や子実休の大きさは数ミリメートルであり最適条件Fでは生活環を･順するのに3-4円しかかからない｡ (2)から(5)までは単細胞期, (6)から(1)までは多細胞生物期である｡また, (4)から(8)までは動物的色彩が強く(9)から(3)までは植物的色彩の強い時期である｡このように細胞惟粘菌は単純な生物でありながら生物の持つ基本的性質の多くの面を見せてくれるという点で種々の研究に適した生物である｡細胞性粘菌は地表に広く生息している微生物で生態学的に重要な生物である｡細胞性粘菌の一種, Dictyostelium discoideumの生活環を図1に示す｡この生物はこの生活環の間に植物的色彩の強い時期(子実体,胞子)と動物的色彩の強い時期(アメーバ状細胞,移動体)を持ち,また単細胞期と多細胞期を合わせ持つ特異な生物である｡それでいて細胞の種類は一番多くても(子実体)二つしか無いという点で研究対象として大変有利な生物である｡

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細胞惟粘菌oj/‡ミ長に対する人1二重力の影鞘 11

ⅠⅠ.細胞性粘菌の生長と重力

細胞性粘菌の全生活環を種々の重力下においた場合に最終的に形成されたT一実体の背の高さを図2に示す｡図2に示されたようにNC14は重力依存性を示し, Ogで背が最も低く,正方向でも逆方向でも重力の大きさが増すに従って背が高くなるという結果が得られた｡別の株ATCCでも同じ傾向がみられた｡では細胞性粘菌の生活環のどの部分が重力に感受性があるのであろうか? それを調べた結果を図3,4,5に示す｡図3,4によれば細胞増殖速度は重力依存性を示さないが発芽率が重力依存性を示し,それが図2とかなり類似している事がわかる｡発芽率の重力感受性が図2に示された子実体の背の高さの重力依存性の主たる原因であるかどうかはまだ不明である｡なぜなら発芽率に差があっても餌の量が同じであれば最終的に存在するアメーバ状細胞の数は同じになって良いはずであり従って胞子細胞と茎細胞の数も同じになって良いはずだからである｡この事から最終細胞密度か,一子実体当りの細胞数か,胞子細胞と茎細胞の比か,茎ので 4 3 2 (∈∈こtJBtatJa6eJ○^e

香

-3 -2 -1 0 1 2 3 gravlty (g)

Lj(I 2 細胞性粘蘭, D. dL'S'･Ol'd',ZJJJZ a)株NC-4 0)子実体uj背u)高さLl)垂ノ]依存

性鮒脂性粘菌o)胞7･と餌とTitる大腸菌を寒天培地を敷いたシャ-レのLにまきその後,子実体ができるまで所定U)人1二重)]下においたQ (温度 23oC)｡子実体C/)高さはシャーレを頻徴鏡o)ステージにおきそのステージを上f:する事によってはか-'た｡垂ノ]の表示で負の値は卜地としての寒人血を逆さ向きにした事を示すものである｡クリノスタットで得られわ疑似()gで最も背が低くlr.ノj向でも逆方向でも電力の大きさが増すと背が高くなる事がわかる｡ (0gと1gとでJ)値の芹, P<0.05. 1gと3gとでの値U)差, P<()･0()1)

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一NuOJSJP9)Sニ03P10qOOueIO JaqLunLJ 20 40 60 80 100 tlne(hr) 図3 NC-4J)発芽率の重力依存性 NC14の胞f･を17oCで14時間培養後,架め/'かた胞子J)数Nsとアメーバ1人酬'dNau)数を計測したo発芽率はNa/(Na十Ns)で定義されるo二 U')場合でも図2におけるU)と同様に鮒以りgで韓も発芽率が低く,垂ノJ u)人ささが増すと発芽率もrlJ,]上した｡ (り只と3gとてu)値U)差, P<OO5) 4 3 2 ^3ua!9!lla uO!leu!LuaB -3 -2 -1 0 1 2 3 gravity(g) lX14 NC-40)アメーバ状細胞の増殖 NC-4 a)胞子を23oCで培養し所定の時間後,アズーバ状糾】胞の数を計測した｡対数増殖期での噌頼曲線の勾配がOg,1g.3gで変わらない事かJ' 細胞分矧司期は重jJ依存性が無い事がわかる｡一万,増殖曲線の切侶j:重力が大きくなるほど大きくなっていることが同3に示した発芽率cI)達し､ ki:J丈映したもJ)である｡

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細胞惟粘L+i]-の勺=.長に対する人工重))の影鞘13 2 0 8 6 22 (∈∈こLJB!aILJ a6t2Ja^E!

∵l+ 程b

-3 -2 -1 0 1 2 3 gravlty (g) [45 NC-4の形態形成期の電力感J受性 NC-4の胞J'-を液体培養し,増殖したアメーバ状細胞を刷父しそれを紙フィルターにのせ所定U)垂ノ)下で無栄養培養した｡そして最終的に形成された実体の背の高さを計測したo 二の場合でもやはり間2,3に示されたとの同様の傾向が見られたo (()gと1gとでの値の農, P<(),O5.1gと3gとでU)偵U-)息P<()()5) き万なども重力に依存する事も考えられる｡この点を調べるために細胞増殖が終わって形態形成が始まる時期以後を種々の重力下に置いて子実体の背の高さがどうなるかを調べてみた｡図5によると集合体期以後種々の重力下に細胞性粘菌がおかれた場合,やはり正負を問わず重力の大きさが増すと背が高くなった｡この事は形態形成期でも重力感受性がある事を示している｡形態形成期の中で更にどの点が重力感受性があるのかについては現在研究中である｡今回の結果で最も興味深いのは地球本来の環境である1gでよりも3g でのほうが生長が良いようにみえる事である｡もしこの現象が真に重力にょるものであったとしたならば環境を経験する事と環境適応との関係において,さらに系統発生的見地からして今回得られた現象は大変意味のあるものであると考えられる｡

ⅠⅠⅠ.人工重力の問題点

さて今まで現象について述べてきたが問題点はこれらの現象が重力によるものと結論づけて良いかという事である｡ここで述べられた現象は次の二つに起因すると思われる｡

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2.重力が環境を変化させその結果生物が影響を受けたもu) 3･重力とは関係の無い因f-が変化,また加わってそU)結果生物が影響をうけたもの 1, 2は直接的にせよ間接的にせよ重力の影響といえるが3はま-,たく実験的欠陥といえる｡従って3の影響がどの程度あるかをまず考えなければならない｡3としてはモーターによる磁場の影響,モーター0)回転による機械的刺激(徴振動など),培養皿の位置での温度,湿度の違いが考えられる｡細胞性粘菌の場合,培養皿をモーターに対していろんな位置においても結果は変わらなかったので磁場の影響は無視できる｡また徴振動に関しては 1gの場合にモーターの回転中心に培養皿を置いても結果は変わらなかったし,また微振動が加わる可能性のあるOgと3gにおいて今回得られた変化の方向が逆であった事などから本質的な影響は無いものと考えら礼る｡培養即)位置での温度,湿度については特に検査はしていない｡しかし,装置全体を恒温室に入れてあり,かつ培養皿は各々アルミ箔で包まれており更にOg, 1g, 3gの試料は出来るだけ近づけておいてあるのでこの点に関してもそう大きな影響は無し)と考えている｡その上,培養皿の向きを正方向と逆方向に置いても結果は同じであったことからもこれらの点の影響は無視出来ると考えている｡次に問題点の2について考えてみようoここで最も考えられる事は寒天培地の中で水分や養分が重力の影響で偏って存在しその結果発芽率や子実体の背の高さが変わったという事である｡しかし,もしそうであればペトリ爪を逆方向においた場合にも発芽率が上がったり子実体の背の高さが増したという事は無くなるはずである｡従って,水分や養分の重力による偏った分布が細胞性粘菌の生長の変化の主たる原因という事はないだろう｡同様に気層でのガス分布の影響や細胞が下地に押し付けられたというような影響もあまり無いと思われる｡以上問題点2,3の可能性について述べてきた｡しかしこjLらの影響の複合されたちのや,ほんのわずかの環境の変化などが細胞性粘菌の生長に影響を与える可能性があるしまたまだここで考察しなかったような影響もあるかもしれない｡従って,今回得られた結果がおもに重力が直接細胞に影響を及ぼし

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細胞性粘菌U)生長に対する人t重力J)影響 15 た事によると結論づけるにはまだ実験が必要であろう｡細胞性粘菌の重力感受機構や1gでよりも3gでのほうが細胞性粘菌の生長に有利であるかのような結果の意味などについていろいろな事が考えられる｡しかしそれらについて述べる事は今回得られた結果が生物と重力の直接の相互作用の結果であるかどうかがもっとはっきりした後にしたい｡また,重力走性,重力屈性があるかなどについては今後研究していく予定である｡参考文献 1)前田靖男(198()),現代生物′羊大系11b,発生,分化, 1831192.沼野井春雄監修, LIJ山書店

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ヒゲカビにおける重力屈性

大瀧保 Ⅰ.はじめにヒゲカビ(Phycomyces)の属する接合菌類においては,ヒゲカどの他に, ヶヵビ(MIWr), Pilaim,それにミズタマカビ(Pilobolus)などの胞子嚢柄が重力刺激を感受し,屈性を示すと言われているが,その中でもヒゲカどの胞子嚢柄は直径約100FLm,長さ10cm以上にも達する巨大な単細胞器官であり,細胞レベルで重力屈性を研究する場合,最も適した材料の-っと言える｡しかしながら,数分以内に,しかも非常に微弱な光に対しても敏感に応答する,いわゆる光屈性反応に比べ,比較的緩慢な反応である重力屈性に関しては,これまでほとんど解析は進んでおらず,また研究報告も比較的数少ない2.4･19㌧ここではこれら報告された研究結果の中からし､くつかの問題点を探り,このカどの重力屈性解析の現状と今後の研究方向を探ってみたいと思う｡

ⅠⅠ.ヒゲカビ胞子嚢柄の重力反応

ヒゲカどの菌糸は, PDA(ジャガイモ抽出液,ブドウ糖,寒天培地)などの培地上に接種されると,約3日後に空中に直立した多数の胞子嚢柄 (sporangiophores)を分化する○この胞子嚢柄は,最机上方から見て時計方向に回転しながら先端部で伸長生長を行なi'ている(第I期,図1)が, やがて長軸方向への伸長生長を停止し,その先端部に球状の胞子真(spor･東北大学遺伝生態研究センター

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.STAGE IVb

Lockwise ro†olion)

rSTAGE IVo

: (counterclockwise

: ro†cI†ion)

STAGE Ⅱ (no g｢ow†h) E皿(Spordngium STAGE 1 (l)PicoL elongqI10n) ltx] 1ヒゲカビ(PJlyL10myCeS blakesleeamEs)における胞子盛の発生段階の模,( 眺第Ⅰ期胞子漉柄の生長域は先端部であり,第IV期の胞f,116柄では胞 f一丸巨卜0.5-3mmの部分である. 菌糸は胞f･JIIB'柄形成の際に使用される原形質を貯蔵するための貯蔵塊 (reserve vesicle)を多数分化する｡ angium)を分化する(第ⅠⅠ-ⅠⅠⅠ期)｡約2時間後,この胞子嚢中に多数の胞千(spores)が形成されると,生長域がこの胞子嚢直下0.5-3mmの部分に新しく形成され,胞子嚢柄は再び伸長生長を開始する｡この場合,はじめは上方からみて反時計方向に逆回転しながら(第ⅠVa期),次いで再び回転を時計方向に変えて,約3mm/hの比較的安定した速度で長時間伸長生長を続け,長さ10cm以上にも達するようになる(第ⅠVb期)5)0 このように垂直方向に伸長している胞子糞柄を水平方向に横たえると, やがて上方に屈起する,いわゆる負の重力屈性が起こるが,この現象は古く前世紀から知られていることであった｡しかし,定量的な実験が行なわれるようになったのはPilet17)からで,彼は種々の発生段階の胞子褒柄の重力に対する反応を時経的に観察した｡その結果,約30分∼3時間にわたる潜期(latency)の後,第1期胞子褒柄では約0.45ソmin,第ⅠVb期のものではO.07ソminの速度で屈曲が起こることを明らかにした｡このように脂子嚢柄の重力屈性は,刺激を受けてから数分で屈曲を開始する光屈性に比較して,潜期に要する時間が極端に長い｡また第Ⅰ期胞子糞柄の方が第ⅠVb 期のものに比べ,より敏感に反応することは,光屈性の場合とも一致して興味深い｡ Pilet17'はさらに,胞子糞柄の発生段階の違いだけでなく,一般に長さの短いもの程屈曲速度は大きく,例えば2mm胞子嚢柄では約4時

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ヒゲカビにおける重力屈性 19 間で,4mmのものでは約8時間で,そして8mmの長さの胞子嚢柄では約 12時間でほぼ垂直方向に達することを明らかにした｡この実験系では, Banbury2'が指摘するように,生長の全く停止する第ⅠⅠ-ⅠⅠⅠ期のものが含まれていたり,また極端に短い胞子嚢柄を使用しているため,必ずしも同調的な生長を行なっていないなど,その結果の精密な解釈には限度はあるが,この差が細胞の何に起因するのか興味ある問題である｡ Dennis｡n (1958)19'は学位論文の中で,第ⅠVb期の胞子嚢柄を種々の角度で傾斜させ,それら各々の場合の重力屈曲の速度を測定した｡その結果, 垂直軸に対して900,すなわち水平に横たえた場合には0.3o/min,450傾斜させた場合には0.170/min, 200以内の場合には0.080/minの速度で胞子嚢柄が屈曲することが明らかとなった｡この事実は胞子嚢柄細胞が重力刺激の大きさを識別できる機構を有することを意味する｡この場合,胞子嚢柄の屈曲速度は初めに与えられた刺激の大きさによって決定されるのか,あるいはまた,屈曲途上各時点において異なる大きさの重力刺激を感知しながら,各時点において屈曲速度を決定しているのかが問題である｡もし後者であるとすれば,胞子盛柄は垂直に立ち上ってくるに従って,その屈曲速度は減少してくることになる｡これを先のPilet17'の結果について検討すると,屈曲速度は胞子嚢柄が垂直状態に達するまで大きな変化はなく,義初に胞子嚢柄の令や重力刺激の大きさが決定されれば,その屈曲速度はほぼ一定値に設定されているように考えられ,これは前者の説を支持する｡しかしながら,後述するように,.胞子嚢柄に遠心力をかけた場合には,胞子嚢柄の屈曲速度は胞子葉柄の屈曲度が増加するのに伴って減少し,やがて飽和角度に達するようになる6'｡これは明らかに後者の説を支持する｡この間題は, Piletの使用したような第Ⅰ期の胞子裏柄ではなく長期間安定した生長速度を示す第ⅠVb期の胞子嚢柄を使用して,より厳密に検討する必要がある｡宇宙衛星Cosmosを使って宇宙空間でのヒゲカどの行動をみると,培地上の菌糸の生長や接合反応には全く異常はみられなかったが,菌糸上に生育した胞子糞柄には,ランダムな方向へ生長しているもの,捻れているもの,湾曲しているもの,さらにはループ状になってるものが多数観察され

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た16)｡この事実は,地球上ではヒゲカどの胞子嚢柄が重力刺激に応答しながら,上方に向って伸長していることを強く示唆する｡このような胞子嚢柄の負の重力屈性は,自然界では胞子の入った胞子嚢杏,菌糸が生育している動物の糞や腐敗物から持ち上げることによって遠く引き離し,より汚染の少なし1状態で,より広い範囲に胞子を分散させる働きを持つ｡ヒゲカどの場合,ミズタマカビ(Pilobolus)のように胞子嚢を噴射することもなく,また胞子は比較的粘質な物質に包まれていることから,自然界では胞子の分散はさほど効果的ではないと思われるが,それでも胞子嚢柄の負の重力屈性は,光屈性と同様,胞子が動物などによってより遠くへ運搬され,そして分散されるのに役立っているものと思われる｡

III.胞子嚢柄の生長に対する遠心力の影響

Dennisonは6･19)は,胞子嚢柄を円坂上の一端に固定し,その円板を回転させることによって,この胞子嚢柄に対し横方向に一定の遠心力をかけ,その間の胞子嚢柄の屈曲反応を観察した｡この場合,水平方向,すなわち胞子嚢柄の生長軸に対し垂直方向にかけた遠心力は4.1gであるが,地球の重力(1g)が下方に働いているため,結果的には胞子嚢柄には斜下方前方に合成ベクトルとしての4.22gの力がかかることになる｡したがって種々の異なる遠心力をかけてその影響を比較する場合には,胞子嚢柄の生長軸に対して正しく垂直方向に合成されたベクトルの力が働くよう,与えられた遠心力の大きさに応じて,一定の角度をつけて胞子盛柄を円板に固定する必要があろう｡遠心力をかけ始めた最初の6分間は,胞子嚢柄は受身的

に遠心方向になびく運動(passive outwor° displacement)を示すが,約

35分後には求心端の方向,すなわち遠心方向に対して負の屈性を開始し, 約135分後には平衡に達する｡この場合,与えられた遠心力が大きい程屈曲速度は大きく,また平衡状態に到達する時間は短い｡屈曲速度は平衡状態に近づくに従って減少するが,これは,さきのDennison19)の,種々の角度で胞子嚢柄を傾斜させることによって,異なる大きさの重力刺激を与えた実験結果と一致する｡したがって,胞子糞柄にかけている遠心力の強さを途中で変更すると,胞子真柄は変更された新しい遠心力に対応した速度

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ヒゲカビにおける電力屈性 21 で屈曲するようになる｡この実験で不思議なのは, 1gの遠心力をかけた場合には,ほとんど影響がないか,あるいはあっても極く弱い影響しか現われないことである6)｡この場合,下方への重力成分(1g)との合成ベクトルとしてJ2gの力が下方450の角度で胞子嚢柄に働くことになる｡前述した如く,単に胞子嚢柄を450の角度で傾斜させた場合でも, 0.17ソminの速度で負の重力屈性が起こる(Dennison,1958)19)ことから考えると,遠心力の影響は自然重力によるそれと比べて小さ過ぎるように思われる｡

ⅠⅤ.重力屈性に対する光の影響

Pilet17)はヒゲカどの胞子嚢柄では,重力屈曲の速度は光照射下より暗所でより大きいことを報告した｡ Dennison7)の遠心力を用いた実験によれば, 0.24-30mW/m2の青色光のFでは屈曲は促進されるが, 60mW/m2以上の光では屈曲は完全に阻害される｡これを光屈性の場合と比較すると,光屈性の場合には,これらの光強度のもとでは胞子嚢柄はいずれも正常な光屈性を示し,この両光強度間での反応には差は全くみられない｡光屈性で差が生ずるためには,さらに1,000倍以上の光強度の差がなければならない｡鋭敏な反応である光屈性ではこの二つの光強度の間に反応の差は現われないのに,なぜ重力屈性反応には出現するのか,その原因機構は不明である｡したがって, 50.8〟W/cm2の光の下では,遠心力をかけても胞子盛柄は重力屈性を示さないが,光の強度を1.14/`W/cm2に変更すると,胞子盛柄は屈曲を開始するようになる｡この場合,屈曲が開始されるまで約20分の潜期がみられる｡この潜期は明暗刺激生長反応(光強度の増減変化によって胞子嚢柄の伸長速度が一切寺的に増加あるいは減少する反応)や光屈性の際にみられる潜期(4-5分)よりはるかに長い｡したがって重力屈性にみられる光反応は,これら他の光反応とは異なるメカニズムによるものなのか,あるいは他の要因の複合作用による見かけ上の違いな10)か,その解明にはより詳細な解析が必要である｡このように,もし重力屈性が光の強度によって影響を受けるとすれば,光屈性の作用スペクトルを作製する場合に大きな問題を提起することにな

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る｡各波長の光に対して強度の異なる光を胞子嚢柄の側方から照射し,脂子嚢柄の屈曲を測定する場合,屈曲した胞子嚢柄には同時に負の重力屈性のため上方に起き上ろうとする力が働き,結果として胞子嚢柄は最終飽和角度として正の光屈性と負の重力屈性の平衡角度(photogravitr叩ic-equi-1ibriumangle)10,ll)を示すことになる｡もし,この重力屈性が光強度に依存するとすれば, Dose-Response Curveを作製する場合,胞子嚢柄の示す屈曲度は単純に光に対する反応として異なる光強度間では比較できないことになる｡さらに,重力反応が光の波長にも依存する場合には,問題はさらに複雑となる｡これまでは,どのような光条件の下でも,負の重力屈性は一定であると言う仮定のもとに光屈性の作用スペクト/レが作られてきた｡したがって重力屈性に対する光の影響はより精密な解析によって早急に解明しなければならない問題である｡

Ⅴ･重力刺激受容体

ヒゲカどの胞子嚢柄における第一次重力刺激受容体(gravireceptor)は

まだ同定されていない｡ Dennison and Shropshire8)によれば,伸長生長の

停止している第ⅠHⅠⅠ期に胞子嚢柄を水平に横たえると,第ⅠⅤ期になって生長が再開された時にほとんど潜期(latency)なく屈曲が開始される｡同様の事実は,第ⅠVb期の胞子嚢を水平に横たえ,下方から光照射することによって胞子嚢柄が上方にも下方にも屈曲することなく水平方向に伸長する状態,すなわち光屈性･重力屈性平衡状態を作り,次いで下方からの光照射を停止させ,重力刺激のみによる屈曲を開始させた場合にも観察される｡この様に,ある期間あらかじめ水平状態に放置された胞子糞柄が,ほとんど潜期をもたずに重力刺激に対して,反応すると言う事実は,この胞子嚢柄では重力刺激感受から伝達までにある時間を要し,それはStatolith として作用するような細胞頼粒が細胞底面に沈着するまでに要する時間であると言う考えを示唆する｡ヒゲカビ胞子糞柄中に存在する細胞頼粒としては,油滴,ミトコンドリア,核,グリコーゲン額粒,蛋白質性結晶体などが考えられ,さらには原形質や液胞そのものも重力刺激を感受して細胞内での配置を替え,

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ヒケカヒにJiける重力屈性 23 statolith的に働くことも可能である｡Zalokar20)は,胞子嚢柄に100g程度の遠心力をかけても,目立った額粒の偏在を引き起こすことが出来なかったことから,Statolithとして働くためには,頼粒は0.5JLm以上U)大きが必要であろうとした｡ Dennisonは,ヒゲカビに関する総説4)の中で,細胞内の額粒の直径を0.5〟mとし,そしてこれらの頼粒が指数的(exponential-ly)な濃度勾配で,細胞底面に沈着するという仮定に立って計算を行なった結果,額粒は平均145秒かかって8/Jm移動し,平衡に達するとした｡この時間は20-30分の潜期に比べて非常に短いことから,彼はStatolithとして働くような細胞頼粒の存在には否定的であった｡しかしながら,彼の考えには次の二点で問題がある様に思われる｡第一の問題は全ての頼粒を0. 5〟mとして計算した点である｡例えば蛋白質性の結晶体は0･5/〃n以上に達するもが多く,大きいものでは5/Jm以上にも達する正八面体の結晶である｡したがって,微粒子に対して考えられた指数関数的な濃度勾配を作らないで直接細胞底面に沈着できる大きさであると考えられる(図2)o もう一一一つの問題点は,得られた145秒という時間が重力刺激を受けてから反応を開始するまでに要する潜期に比べ極端に短いため,これら細胞頼粒は statolithとして考えにくいとした点である｡ Statolithがたとえ秒か分単位の非常に短い時間内に重力刺激を感受し,それを次の刺激伝達系に伝えたとしても,実際の重力屈性が20-30分後に出現することは十分にあり得るように思われる｡重力刺激伝達系は,刺激受容から反応まで数分しかかからない光刺激伝達系とは異なる分岐経路をたどるのかもしれない｡胞子嚢柄では多条(multistriate streaming)あるいは同心逆行的な (sleeve type streaming)原形質流動がみられ,微小な頼粒はその原形質の糸に沿って胞子嚢柄を長鮒方向に移動する｡生長域付近では胞子嚢柄の回転運動に伴って,この原形質の流れはゆるやかな螺施を画く｡Banbury2)によれば,たとえ胞子嚢柄を水平に横たえたとしても,微小な細胞頼粒はこの原形質の流れからはずれて細胞の底面に沈着することは困難であり,また胞子嚢柄を水平にすることによる原形質流動の乱れも観察されない｡しかし生長域自体では原形質流動はもはや消失し,多くの原形質が蓄積した状態になってしゝるため, Banburyが言うように,原形質流動が細胞群粒の

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∩ ∩ 0 5 0 相川川川相川川 0 ｢▲J aUOZ Llt享0｣9 1 cenTrQL vQCuOLe 図2 ヒゲカどの第IV期胞7-盤柄の/1;ji域模式図｡胞[-3!畠のL自:卜には細形質が満ちているが,卜jJ'には大きな液胞が発達し,細形質は細胞噂に沿って存 ILIする様になる｡同心逆行的(sleevetype)あるいは多条的(multistriate) な原形質流動がみられるo 細胞質には多数核が存在するo 沈着を阻止しているとは必ずしも言えないと思われる｡このように観てくると,蛋白質性の結晶体がその大きさからして, Statolithとしての機能を十分に有している様にも考えられるが,この場合にもいくつかの問題点は残る｡その一つは,この結晶体が水平に置かれた胞子嚢柄の底面に沈着しているのを実際に観察した報告がないことであり,もう一つは,この結晶体が重力によって下方に沈着するとすれば,正常に菌糸上に直立している胞子嚢柄では,結晶体はなぜ単細胞の胞子嚢柄中を通過して,その基部に全て沈着してしまわないのかと言う疑問である｡もし,ヒゲカどの胞子褒柄にStatolith的な頼粒が存在しないと仮定すると,横たえられた胞子嚢柄にかかる張力,すなわち胞子嚢柄自身そして胞子嚢の自重による細胞上面での大きな張力,そして逆に下面にかかる圧力が刺激となると言う考えがある(Audus,1961)2)｡この考えを支持する実

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ヒゲカビにIjlける垂ノJ屈性 25 験としては,直立している第IVb期の胞子嚢柄の胞子嚢の一端に,油を薄く塗ったガラス棒を付着させ,横方向に引張ることによって胞子嚢柄を数分間人為的に約20L〕傾けた後,このガラス棒を胞子嚢から引き離すと,そU) 胞子衰柄は以後,一時的ではあるが反対方向に屈曲すると言うDennison の報告6)がある｡一万,この張力説を否定する報告も多い｡例えば,胞子嚢柄の自重がかからないよう,寒天ブロックを水平にした胞子衰柄の下に挿入しても負の重力屈性は正常に起こり2).また胞子嚢柄を水中2)や胞f･成柄と同じ比重を持つperfluorotributylamine (密度1.87×103 kg/m3)6)中に浸すことによって,胞子嚢柄の自重を軽減あるいはほとんど消失させてら,水平に置かれた胞子嚢柄は正常な重力屈性を示す｡また胞子嚢柄の先端部を切除すると,やがて胞子嚢柄は切口に細胞壁を再生し,新しい胞子嚢柄が生じてくるが,この場合,処理した胞子嚢柄を寒天ブロック上に横たえると,再生した胞子嚢柄はごく初期の原基の段階から土方に向って生育してくる13)｡再生体原基の自重は無視できるものと考えられ,したがって,これは水平に置れた胞子嚢柄によって受容された重力刺激が再生体の分化と生長の方向を規制し,分化した再生体は負の重力屈性を示しながら生長したものと思われる｡ Dennison6)は, Statolith的な機能を液胞に求め,負の重力屈性が起こるのは水平に置かれた胞子嚢柄ではまず液胞が細胞の上方に浮上し,その結果,原形質が細胞の下面に蓄積するためであると考えた｡この液胞や原形質の偏在と細胞の偏差生長との関係は,古くSchley18)などによって提案されたものであったが,当時の報告には屈曲方向と原形質偏在の方向性に関して混乱もみられ,明確なものではなかった｡このような液胞の偏在は,その後原形質の他端への25%増の蓄積として観察されたと∵言う報告8)もあるが,これは以前Banbury2)がどうしても観察できない現象であった｡いずれにせよ,今後はより近代的な手法を導入しながら,より精密な観察を行ない,これまでの報告を再検討する必要があるように思われる｡

ⅤⅠ.重力屈性の遺伝学的解析

ヒゲカビではこれまで胞子を突然変異誘発剤で処理することによって,

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多数の光屈性異常変異株(遺伝子型mad)を単離されている4･12)｡これらの変異株はいずれも弱光には全く反応しないか,あるいは反応しにくい変異株で,そのほとんどは野生株の反応できる最低光強度の約106倍の光でようやく光屈性を開始でき争ものである1･3,14･15-｡このような光屈性異常変異株につしゝて,その他の光反応や屈曲反応を調べてみると,これら光屈性変異株は光受容体側に変異の生じたと考えられるものと,細胞の偏差生長自身に変異の生じたと思われるものに大別でき3,ことが明らかとなった3)0 後者に属する変異株では従って重力屈性も異常であり,相補性テスト1,14･15) や交雑実験9)などの遺伝学的解析から,これら変異にはmadDからmad Gまでの4つの遺伝子が関与していることが明らかとなった｡電力屈性異常変異株は,その後ヒゲカビで約13株得られているが(衣 1),これら変異株の解析はまだほとんど進展していない｡その中で興味あるのは,カロチノイドの一種である7イトエンを多崖に蓄積している白色変異株C5.樵(遺伝子型, carBIOgeo110(-))の重力反応である｡この変異株は野生株に比べ,重力刺激に対する反応が速く,また屈曲速度も大きいため,結果的には急角度をもって垂直状態に達することになる｡このような変異が細胞のどのような機構に基づくのか,細胞内構造やその他の刺激に対する屈曲反応などを詳細に調べることによって多くの情報が得られることが期待される｡このように重力屈性欠損あるいは過乗変異株を多数単離し,それら変異株のその他の表現型,すなわち種々の外的刺激に対する反応を調べ,さらに遺伝学的な解析を加えることによって,さきに光屈性異常変異株でみられたように,重力刺激受容側に変異の起こったもの,細胞の偏差生長の機構に変異が起こって屈曲反応自体が異常なもの,そして重力刺激伝達機構に欠損の起こったものなどに分類することが可能であるように思われる｡このような分類をまず行なうことによって,重力屈性異常と言う,一一見同じ表現型を有する変異株であっても,その原因は各々異なり,したがって, 各変異株に対する解析方法も明確になってくるものと思われる｡今後はより多くの突然変異誘発剤を使用してより多くの変異株を単離し,より精密な解析を行なっていかなければならない｡

(31)

ヒゲカビにおける重力屈性 27

表1, Gravdtropic Mutants in PJlyCOm_VCeS blakesleeam(S

StrainGenotype 微&没問 Phenotype

C5(.arB10ge0-10(-) 泌%$ﾃ SSR蒟Dr albino,phytoeneaccumula- tion.

C202(.arB10ge0-2(-) C210geo-(-) R蒟Dr 3Rﾄ薀r alsofastgraVitropism GrowthrPte-2.5mm/hr. graVitroplSm:latency-50-60 m享ns,Bendingrate-0.3deg/ mュn Stiff,Non-.graVitropism,May belonglatency,∼200mins.

C213(.arA5ge0-3(-) "ﾄ薀r Stiff.albino C215geo-(-) "ﾄ薀r Stiff.Yellow,NongraVitropic inlengthsO.5-3cm

C216gL,0-(-) "蒟Dr Sti臥Yellow,N()ngravitropic

C217geo-(-) "ﾄ薀r Stiff,Yellow,Nongeotr()plc C218carB10ge0-4(-) C219ge0-mad-(-) Rﾄ薀r 3Rﾄ薀r albino,latency-60min, Growthrate=1.8mm/hr. Bendingrate-0.1-0.3deg/ minnormalphototroplSm Stiff,Yellow,NongraVi- tropic,PhototroplSmathigh

C221carBIOge0-5(-) C222carB10ge0-6(-) C227ca7,A5ge0-7(-) R蒟Dr 3R蒟Dr 3$薀r intensity(Ⅰ-0) Growthrate=3mm/hr. graVitroplSm:latency-60 min,Bending.ratei=0.2deg/ _hr.PhototroplSmnOrmal Growthrpte-2.2mm/hr. gravitroplSm:latency-30 min,Bendingrate-0.4deg/ min.Phototropismnormal. albino,"stiff",bending

rate-<0.1deg/min

(32)

VII.おわりに以上,ヒゲカどの重力屈性について,いくつかの異なる面から概観してきた｡ヒゲカどの重力屈性の解析は,上述した様にまだ不十分であり,報告された結果の中にも矛盾や疑問の残るものも存在する｡しかし,このカビは,巨大な単細胞性の胞子嚢柄を分化し,それが比較的敏感に重力刺激を感受し,また種々の突然変異株が比較的容易に単離できることから,このカビは重力屈性の研究を遂行していく上で非常に好適な材料の一つと言えよう｡近代的な細胞生物学的な手法や遺伝学的手法を用いて,これまでのデータを再検討しながら,より精密な解析を行なっていけば,さらに多くの興味ある事実が明らかになるものと期待される｡参考文献

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ヒゲカビにおける重力屈性 29

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(34)

(35)

藻類,コケ,シダ類の重力反応

片岡博尚現象の多様性の上にできるだけ大きく視野を広げることは常に,さらにより深く掘り下げるための最も重要な手段である｡ -ペッファーー7) Ⅰ.はじめに Pfefferはすでに1904年に発行された教科書36)のかなでハネモ(Bryop-sis muscosa)やイワヅタ(Caulerz)aprollfera)の仮根は正の,フロンドは負の明瞭な重力屈性を示すこと,フラスモ(NitelkZ)やシャジクモ(Chard) のシュートは同様に負の重力屈性を示す報告があることを記載している｡しかし,一般的には陸上植物に比べて水中植物では重力はそれほど重要な環境要因ではないように考えられてきた｡ Banbury(1959)による下等植物の重力屈性についての優れた総説1)があるが, 20年後発行された新版の

Encyclopedia of Plant Physiologyではそのような章は無くなっている｡

陸上では重力に打ち勝って直立成長をするために強い細胞壁とそれによって作られる膨圧やさらにはリグニン化した二次細胞壁からなる材組織が必要であるが,水中では浮力のためにこのような支持構造峠要らない｡しかし,このことは藻類の体制め単純さの説明にはなっても,藻類では重力反応が未発達であると主張する根拠にはならないし,第-それが事実かどうかさえ疑わしい｡自重による圧縮力や張力,あるいは歪は陸上植物の重力受容の仕組みの一つの可能性としては考えられるが,それを支持する十分な証拠は得られていないし,細胞内液と細胞器官の密度差は陸上でも水中東北大学遺伝生態研究センター

(36)

でも同じなので,平衡石の沈降による重力受容を考えると陸上,水中で差はないはずである｡従ってここでは藻類,コケおよびシダ類での重力反応についての数少ない優れた研究の歴史をたどり,現在どこまで明らかになったか,そして,今何が問題となっているかについて紹介したい｡藻類など体制の単純な生物は厳密な生理実験には高等植物の多細胞組織よりはるかに扱い易い｡とくに藻類は原核生物の藍藻(Cyanophyta)から輪藻(Charophyta)まで極めて多様性に富んでいるので重力反応の進化を探るにも,系統を横切って存在する共通性を研究するにも好都合である｡そうした研究は種子植物の重力反応において見過ごされてきた観点を補い,重力反応全体のさらに深い理解につながるであろう｡

ⅠⅠ.議論の制限

重力とーほとりも直さず重力加速度のことであり,地上では全ての物体にほぼ地球の中心に向かう約9.8ms 2の大きさの加速度が働いている｡光と違って重力加速度を地上でゼロに保つことはできない｡従って地上の植物は絶えることの無い重力刺激下で生活環をまわし,進化してきたことになる｡そして,方向性のある環境要因である重力に対する定位反応や重力による形態形成反応を獲得してきたのであろう｡本稿では比較的よく研究されている定位反応に議論を限ることにする｡すなわち,自由に泳ぐことのできる単細胞藻類や原生動物の重力走性(Gravitaxis),定着生活を送る藻類から蘇苔類,シダ類の重力屈性(Gravitropism)と重力による背腹性 (Dorsiventrality)の誘導やその変更を扱う｡

ⅠⅠⅠ.重力反応条論とそれらの研究の到達状況

1.重力走性(Gravitaxis) a.定義能動的に運動することにより,短期的あるいは長期的に重力に依存した分布,定位(Orientation)を示す反応17'｡運動方向が能動的に(actively) 決定されるか否かは問題ではない｡従って,コナミドリムシ

(37)

溝類,コケ,シダ類の重力反TJE 33

(chlamidomonas, Jensen 1893)やオオヒゲマワリ(Volt,OX, Mast 1907)

にように,受動的に定位づけられ,鞭毛運動によって能動的に運動するものは重力走性に含まれる22･29)｡一方,バクテリア,藍藻などでgasvacuole を持ち,水面からある位置に分布するものがあるが,それらはvacuoleの形成や維持にはエネルギーを使うが定位や分布の維持は受動的(passive) なので走性とはいわない｡この点で,動物のようにはっきりした感覚器官を持ち,定位も運動も能動的なものとの反応様式上の違いを感じるが,まだ明確な理論的扱いが成されていないようである｡後述の反応の仕組みの項を参照されたし｡ b.分布原核生物,原生動物,藻類,菌類,後生動物,動植物の配偶子などがPfeffer (1904)の教科書36'(p.791)に挙げられている｡ Euglena uiridisや chkZmydomonas Puluisculusは負,つまり上に向かう重力走性を示し, Haematococcus lacustrisやUlotrix tenuisの済走子も負重力走性を示す｡

前世紀末までにSpirillumは正,負両方の垂力走性を, Chromulina

u'oro-ninianaは15120oCでは正重力走性を示すが5-7oCでは負に反応が変わるといったことが知られていた｡しかし,重力の効果は光などの他の方向性要因や化学物質の濃度勾配により(特に02やC02等の気体)簡単にマスクされてしまうのでよほど厳密なコントロール実験が必要であり17),また同一個体でもMassart28)が述べているように物理的,生理的条件により反対方向の定位が見られるので,古い記載を再検討する必要がある｡種に典型的な反応としてゾウリムシ(Paramecium)やコナミドリムシ (chlamydomonas‖ま負重力走性を, Blepharismaやと卜の精虫は正重力走性を示すことが確かめられている3'｡最近では重力走性の研究は専らゾウリムシに限られている｡ C.エネルギー論まず,能動的な運動が重力走性には必須であり,それはATPを使う鞭毛や繊毛の運動(axonemal

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movement)やアメーバ運動(amoeboidmove-ment)によってなされる｡アメーバ運動が重力走性に含まれることは,ガラス管壁の内側を湿った砂でコートしてもミドリムシ(Euglena)が負重力走性を示すというSchwarz (1884)の実験44'から明らかである｡ d.反応機構刺激受容(Perecption)-刺激変換(Transduction)-反応(Effect｡r action)という一般的な理論的図式からみなと重力走性で扱えるのは effectorの段階だけである｡光走性,化学走性などでは少なくとも理論的な受容体を想定できるが,重力走性における重力受容については全く不明である｡現在意見が一致しているのは細胞の上下間にかかる水圧の差を受容しているという圧力差説(Jensen,1893)は間違いであるということだけである3･17)｡一般的に光定性,化学走性は速く,重力走性は遅い｡前者では刺激源に向かって直線的に泳ぐのに対し,後者では定位ベクトルが小さく長い時間をかけて分布が達成される｡重力定位が達成されるための力学や装置と,それがどのように機能して定位が起こるかを混同してはならない3'｡しかし, 同一種でも反応の異なる相(定位の達成,定位の維持,分布の維持)で機構は違うかも知れないし,運動中に起こる様々の変化,例えば,泳動逆転のタイミング,頻度,スタイル,あるいは泳動速度の変化などが本当に重力走性に特異的な要素なのかどうかさえまだほとんで明らかになっていない｡現在最もよく研究されているゾウリムシでの重力定位の達成機構を見ても細胞内の密度の非対称による全く受動的なものから平衡石の沈降のような生理的過程を想定するものまで大きく4つの機構が提唱されている3)｡すなわち, 1) "密度差説" (静的機構説) 2) "形態一流体力学仮説" 3) "推進力一重力説" 4) "平衡石説"(生理的機構説) Verworn 188953) Roberts 197041)

Winet and Jahn 197455)

Lyon 190527)

である｡これらの詳しい説明はワークショップ以後に発表された和文総説31'に成されているのでここでは省く｡垂力走性の能動的生理的機構を支

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藻類,コケ,シダ類の重力反応 35 持する観察事実としてBeanは以下のことを挙げている3'｡ 1.負の重力走性が正常の速度で起こるためには前進移動が必要｡ 2.受動的沈降中,運動能力の無い細胞は十分な縦方向定位を示さない｡ 3.上方移動中のゾウリムシは定位を均す回避反応をその他の方向を向いているものより低頻度で行う｡ 4.過分極を起こす刺激は回避反応の頻度を減らし,あるいは泳動速度を増し,負重力走性を加速する｡ 5.脱分極を起こす刺激は,回避反応の頻度を増し,泳動速度を減らし,負垂力走性を阻害する｡ 6.ゾウリムシのPawn突然変異株(前進しかできない)は,迅速に, 均質に重力走性を遂行する｡ 7.逆行する,あるいは部分的に繊毛逆転のあるゾウリムシは頭を上にしたまま下方移動する｡ 8.定位反応の感受を阻害,あるいは変える処理の多く(例えば飢餓, 過酷な熱,遠心九機械的,化学的処理),加齢,生理的ストレスも, 細胞内体制や運動装置の正常な働きに重大な効果を与k･る｡ 9.細胞の形を変えるが,細胞内体制を乱さない条件は通常定位感受性を変えることがない｡ 10.種々の条件下で重い粒子を喰わせたゾウリムシの反応は平衡石説に適合する｡ 11.ある種の阻害剤や重力走性速度についての突然変異株を用いた予行実験は重力走性速度は細胞の一般的な運動性(Motility)への効果と生理的に結合していないことを示す｡ 12.繊毛虫類の細胞表面は機械的刺激や生来のイオン的特性について非対称に作られている｡ 13.デタ-ジェントで抽出した後, ATPを加えて人為的に再酎引ヒした繊毛虫類やコナミドリムシは定位されていない｡しかし,まだ現実の垂力走性が物理的機構に起きているのか,あるいは生理的機構で起きているのかを決定するには至っていない｡

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e.他の行動との関連重力走性はパターン形成泳動(Patternswimming),あるいは生物対流 (Bioconvection)の主要な原因であると考えられている｡ 2.重力屈性ー a.定義重力(遠心力を含む)の方向に対応する方向への屈曲反応｡成長(屈曲) 方向が鉛直線と平行なものを正統重力屈性(0仙ogravitropism),直角なものを横重力屈性(Diagravitropism),ある角度を保つものを斜向重力屈性(P】agiogravitropism)と呼ぶ｡正統重力屈性のうち重力の方向(下)を向くものを正の,その反対方向(上)を向くものを負屈曲とする｡もちろん,受動的に自重で垂れ下がったものは重力屈性ではない｡横重力屈性や斜向重力屈性は正統屈性と傾性の一種である上偏成長(Epinasty)が重なったものと考えることができる｡傾性は構造的に予め定まった方向への屈曲をさすからであるが,なんら構造的非対称性は無く重力だけの働きで "生理的上側日が誘導され,上偏成長がみられることもある(ユリの花榎の運動など)｡これを重力上偏成長(Graviepinasty)と呼ぶが,これは傾性でなく遅く進む重力屈性であると考えられている18'｡背腹性との関連が考えられる｡ b.分布 1)藻類,フラスモ(Nl'lella),シャジクモ(Chard)15･36',ハネモ(Bryopsis muscona)34'のフロンド(負重力屈性),仮根(正重力屈性) ;へライワヅタ (Caulerpa prollfe712)仮根の正重力屈性,地下茎の横重力屈性20･30･36'など｡ 2)辞苔類oゼ二ゴケ(Marchantia)仮根(正重力屈性),配偶体,造胞体(負重力屈性)13･16';ミズゼニゴケ(Pellia)32･36',ミズゴケ(Sphagnum)5,, チョウナンゴケ(Minitlm),スギゴケ(Polytrichllm)などの配偶体,造胞体26',34'｡ツノゴケ(Anthoceros)では見つかっていない35'｡ 3)シダ類｡ウラボシ科,ホウライシダ科,ゼンマイ科などの前葉体(横重力屈性),造胞体の葉軸(負重力屈性)8･9'など｡

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濠類,コケ,シダ類の垂jJ反応 37 C.重力の受容重力屈性においては多くの系で平衡石が見つかっているo高等動物のよぅな高度に分化した平衡器官を持たない植物でも同義的な平衡器官 (statocyst)をもち,そのなかで自由に動き得る平衡石(Statolith, Otolith) が重力によって下へ沈むことが重力受容の原理であるとう考えはGiesen- hagen(1901)がシャジクモの仲間の仮根の先端近くに光る小体(Glanzk6r-perchen)が重力により沈降することを兄いだして15)以来藻類でも広く信じられている｡しかし,一一万では明らかに重力反応を示しながら平衡石に相当する構造体が何一つ見つかっていないものも多い｡例えば,シャジクモの節問細胞は負の重力屈性を示す(Hofmaister (1894)36')が,その内部では活発な周回型原形質流動が続いているので単純な平衡石説は適用されそうにもない｡また, Einsteinの密度差による分布の式(eq･1)と,普通の細胞内で

n/7lo-eXp l- VApah/kf] ･･-･･.･--.･･--=･-(eq･ 1)

n/7l.,:高さhと0の間の粒子数比 Ⅴ :体積』β ‥媒質の密度差, 0.1kgm 3≦』β≦1･7kgm 3 α :加速度-9.82ms Z k : Bolzmann定数 r :絶対温度沈降すべき距離の推定から半径0･1FLm以上の粒子は平衡石になF)得るが,ストークスの式(eq.2)からアミロブラストが-直嘩分沈降するのに 36軌ミトコンドリアだt/6分もかかるはずなのに実際の閥時は秒のオーダーである｡ 4/3 7rr3Apa-67rWu ･･･:･･･-･-･･･--･･--.(eq･ 2) 7･:半径 77:粘性 ∼20cpoise LJ:沈降速度