2016年11月6日日曜日

植物の寒害や凍害の原理

   下記はインターネットで検索して出てきた「日本植物学会」の「みんなのひろば」という欄の記事です。少し長いですが転載します。
   植物の体内の水(零度を下回れば凍る)は凍っても、細胞(イオン、有機酸、糖やアミノ酸を含有)が凍らなければ凍害は起きないようです。
 細胞内の液体の成分が問題のようです。「不凍液の成分」(前田の表現)が多ければ細胞は凍らないのでしょう。細胞がいったん凍ったら、植物のその部分とそこに頼っていた部分は死んでしまうのでしょう。
 凍害には細胞の凍結で組織が枯れ死すること以外に、幹が凍裂することがあります。岐阜県朝日村の別荘で、明け方零下19℃で白樺の主幹が折れる音を聞いたことがあります。勿論翌朝その姿を確認しました。

記事:
   「氷点下になった時など植物内の水は凍結しないのか?」
質問者:   教員   SATY
登録番号1123   登録日:2006-12-04
 朝が寒くなり、水たまりに氷の薄い膜が張るようになりました。ここで、疑問に思ったのですが、植物内の水は凍らないのでしょうか?もちろん、凍らないと思いますが、凍らない仕組みはどのようになっているのでしょうか?
 低温ということで、細胞内にある様々な酵素の活性も低下すると思います。北海道などでは-15℃〜
20℃になったりする中で、植物はどのような仕組みで生命活動を維持しているのか質問させていただきます。
 宜しくお願い致します。
SATYさん:

たいへんお待たせしました。植物の耐凍性に関するご質問の回答を、その分野を専門に研究をされている岩手大学の上村松生先生にお願いしたところ、次のような分かりやすい解説を頂きました。一見、ただただ、耐えているとしか見えない植物でも、なかなか巧妙な仕組みを持って、不利な環境と闘っていることが分かりますね。

[回答]
SATYさんの予想に反して、温帯以北に生息するほとんどの植物では体内に氷ができます。驚かれましたか? そのような植物は、体内の水分が凍っても生きられる仕組みを備えているのです。 今までの研究によると、「植物体内の氷ができる場所」が大きく影響すると考えられています。植物体内に氷ができても生存するための絶対条件は、「細胞の中に氷を作らない」ことです。細胞内に氷の結晶ができると、細胞内の様々な構造物(細胞膜、核、葉緑体、液胞など)が氷の鋭い結晶で傷つけられてしまい、細胞は例外なく死んでしまいます(細胞内凍結と言います)。しかし、植物細胞の中にはイオン、有機酸、糖やアミノ酸など様々な溶質が解けているため浸透濃度が高くなっており、氷点下になってもすぐには細胞内の水は凍結しません。
一方、細胞外(細胞壁部分や細胞と細胞の間)は水蒸気で満たされており、解けている溶質も少なく、さらには、氷の結晶を作るための核となる物質も多く存在します。従って、氷点下になると、多くの植物では最初に細胞外に氷ができます(細胞外凍結と言います)。いったん氷ができると、冷凍庫の製氷器で氷を作る時と同様に、氷のまわりの水や細胞内の凍結していない水は氷に引きつけられ、氷結晶は成長します。その結果、細胞内の溶質濃度はどんどん高まり、ますます凍結しにくい状態になります。さらに、細胞壁に接して存在する細胞膜が氷を通しにくい性質を持っているため、細胞外にできた氷は細胞内に侵入しない仕組みを持っていると考えられます。その状態が保たれると、ある程度の氷点下でも植物は生存できるのです。
氷点下の冬を野外で耐える植物の中には、氷が細胞外のあらゆるところにできるのではなく、特定の限られた場所にしかできないものも存在します。例えば、ツツジ科やバラ科では花芽の中には全く氷が形成されず、氷は芽鱗片(萼)内部や花芽の基部(皮層部)に形成され、そこへ花芽の中の水分がそっくり移動する現象が見られます。これは器官外凍結と呼ばれ、多くの種子を凍結した際にも観察されます。さらには、北方に生息する樹木(ブナ、カラマツ、リンゴなど)の幹にある木部柔細胞では、細胞のすぐそばに氷ができても細胞内の水は全く移動せず、しかもある温度まで細胞内が凍結しない現象が知られています。これを深過冷却と呼び、ササ等でも見られることがわかっています。このように、氷のできる場所は植物の種や器官・組織によって異なりますが、植物が氷点下でも生きるためには、体内に氷ができても細胞の中には氷を形成しない仕組みを持つことが必要不可欠なのです。
2番目の質問ですが、氷点下では多くの細胞内での代謝活動が低下します。例えば、呼吸や光合成などの活性は大きく低下することがわかっています。つまり、温度の低下と凍結による細胞内水分の減少により、最小限の代謝活動で生存が可能な状況になると考えられます。その詳細は今後の研究を待たなくてはなりませんが、ある意味で、動物に見られる「冬眠」と似ているのかもしれません。
逆に、低温になると多量に合成されるタンパク質が存在することも知られています。例えば、多くの植物では、凍結しない程度の低温に曝されると糖やアミノ酸などが増え、やがてやってくる氷点下の気温に備えることが知られています。この反応を司る酵素群のなかには、低温で増加するものも多く知られています。また、植物を低温に曝した時だけ発現する遺伝子も多く知られています。これらは低温誘導性遺伝子と呼ばれ、秋から冬にかけて植物が冬支度をする際に、凍結条件下でも生存できるようにするために必須のタンパク質を合成するものと考えられています。さらにおもしろいことに、植物体内に氷が形成され、細胞内の水分が乏しくなる厳しい条件でも働いている遺伝子があることも最近わかってきました。これらの低温や凍結条件下で特異的に働く遺伝子が持つ機能のほとんどは、まだ解明されていません。今後、これらの遺伝子の機能に関する研究が進むことによって、低温でもすくすく成長できる植物を育種する方法が見つかってくるかもしれません。

上村 松生(岩手大学農学部附属寒冷バイオシステム研究センター)

JSPPサイエンスアドバイザー
今関 英雅
回答日:2006-12-21

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