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(Cryptomeria japonica D.Don) はCa溶
5.4 考 察 はCa溶 M.bracteata 液 中 の1mMのAlに よっ て 著 しく根 の 伸 長 が 阻 害 され た が 、M. で は 根 の 伸 長 が 全 く阻 害 され な か った(図5-1)。 cajuputi 植 物 のAlに 関 す る研 究 の 材 料 とし て 主 に 使 わ れ て い る作 物 や モ デ ル 植 物 な どで は 、Ca溶 液 中 の1∼50μMのAlで 根 の伸 長 が 阻 害 され る(第1章)。 また 、野 生 植 物 で あ る樹 木 は 作 物 よりも高 いAl耐 性 を持 つ と言 わ れ て い る が 、Picea はCa溶 abies スギ (Cryptomeria た(Ofei-Manu 液 中 の100μMのAlで60%根 japonica D.Don) はCa溶 et al.2001)。 の 伸 長 が 阻 害 され(Ryder 液 中 の50μMのAlで25%根 の 伸 長 が 阻 害 され これ らの 植 物 と比 べ る と本 研 究 で 示 され た M.cajuputi は 極 め て 高 い。Ca溶 液 中 の1mM Alと い う極 め て 高 い 濃 度 のAlに et al.2003)、 のAl耐 性 耐 性 を示 す 植 物 は 、現 在 まで の ところ他 に 報 告 され て い な い 。 M.bracteata つ のAlに で は 、根 の 伸 長 阻 害 、根 端 へ の カ ロー ス の 蓄 積 、根 端 へ の リグニ ン の 蓄 積 の3 よ る反 応 がAl処 理 開 始3時 間 後 に は 観 察 さ れ た(図5-1 害 と根 端 へ の カ ロー ス の 蓄 積 は 、Alに よ っ て3時 が(Barcelo and Poschenrieder2002,Zhang ,5-2,5-3)。 間 以 内 に 引 き 起 こさ れ る ことは 知 られ て い る et al.1994,Wissemeier and Horst1995)、Alに る 根 端 へ の リグ ニ ン の 蓄 積 は 調 べ られ た 例 が 少 な く、リグ ニ ン がAlに 時 間 は よ く分 か っ て い な い 。Sasaki et al.(1996)は 根の伸長阻 よ っ て 生 成 され る ま で の 理 開 始6時 間以 内 にリ グ ニ ン が 蓄 積 す る ことを 報 告 し て い る 。本 研 究 で は 、そ れ よ りも 早 くAl処 理 開 始3時 間 以 内 に、 M.bracteata コ ム ギ の 根 端 でAl処 よ の 根 端 に リグ ニ ン が 蓄 積 す ることを見 い だ した 。Alに よる根 端 へ の リグニ ン の 蓄 積 もAlに よって 引 き起 こされ る初 期 反 応 と言 え る。M.bracteata カ ロー スの 蓄 積 、根 端 へ の リグ ニ ン の 蓄 積 がAl処 耐性種 M.cajuputi で は 、これ ら3つ 5-3)。 これ らの 結 果 は 、Al処 理3時 のAlに 理 開 始3時 で は 、根 の 伸 長 阻 害 、根 端 へ の 間 後 には 観 察 され たの に 対 し、 よる 初 期 反 応 が 観 察 され な か っ た(図5-1,5-2, 間 後 ま で に 、M.bracteata 109 で は根 端 にAlが 侵 入 し作 用 部 位 に 到 達 して い るが 、M.cajuputi では既 にAl排 除機構あるいは根端内Al耐 性機構 が働 いて い る ことを 示 し て い る 。 Al耐 性 種(あ るい は 品 種)の ほ うがAl感 受 性 種(品 種)よ りも根 端 へ のAlの 集 積 が 少 な い と い う現 象 が しば しば 報 告 され て い る (Llugany et al.1994,Ofei-Manu 2001,Pineros et al.2005) et al.2001,Wenzl et al. 。この 現 象 は 、Al排 除 能 力 の 違 い とい う種 間(品 種 間)でAl耐 性が 異 なる「 原 因 」を 表 して い る可 能 性 が あ るが 、耐 性 種(品 種)の ほ うが 根 の 伸 長 量 が 大 き い こと に よる希 釈 効 果 な ど 、種 間(品 種 間)でAl耐 性 が 異 な った 「 結 果 」を表 して い る可 能 性 もあ る。 従 って 、根 端 へ のAlの 集 積 量 に よってAl排 除 機 構 の 存 在 を確 認 す る場 合 は 、Al耐 性 が 異 な ることに よる 「 結 果 」の 影 響 が 小 さくな るように 、Al処 理 を な るべ く短 時 間 に す べ きで あ る。M. cajuput iと M.bracteata 5-3)、Al処 のAl耐 理 開 始1、3、6時 か 同 程 度 だ っ た(図5-4)。 な く、根 端 内Al耐 間 後 の 間 後 に は 現 れ た が(図5-1 の 根 端 の 全Al濃 M.cajuputi 従 っ て 、M.cajuputi の 根 端 の 全Al濃 Al区 に お け るAl処 理 開 始12時 よりも 大 き く、M.bracteata 12時 間 後 と24時 理 開 始3時 のAl耐 度 は 、M.bracteata 性 機 構 はAl排 度 は 、M.bracteata 間 と24時 間 の M.cajuputi の そ れ ぞ れ3.7倍 と6.8倍 間 後 に お け る根 端 の 全Al濃 ,5-2, より高 い 除 機 構 に よるもの で は 性 機 構 に よるもの で あ ることが 明 らか にな った 。Al処 理 開 始12時 時間後 における M.cajuputi mM 性 の 違 い はAl処 間 後 と24 よ りも低 か っ た(図5-4)。1 の 根 の 伸 長 は 、M.bracteata だ っ た(図5-1b)。 従 っ て 、Al処 理 開 始 度 の 違 い に 根 の 伸 長 に よる希 釈 効 果 が 寄 与 し て い る と考 え られ る。 は 根 端5mmに10μmol(g生 M.cajuputi っ た(図5-4)。 μmol(g生 「Al蓄 積 型 植 物 」で あ る チ ャ ノキ 重)-1(根 端 の 含 水 率90%と 根 の伸 長が阻害されず (Ofei-Manu Eucalyptus 重)-1のAlが globulus さ れ な か っ た(Silva は 根 端5mmに et al.2004)。 集 積 して も 根 の 伸 長 が 阻 害 され な か (Camellia sinensis) は 根 端10mmに 約4.5 して 乾 重 当た りの 濃 度 か ら換 算 した)のAlが et al.2001),M.cajuputi 約5.5μmol(g生 重)-1のAlを こ れ に 対 し 、イ ネ 科 牧 草 Brachiaria 110 集 積 して も と同 じフ トモ モ 科 樹 木 で ある 集 積 して も 根 の 伸 長 が 阻 害 decumbens は 根 端3mm に 約3.5μmol(g生 重)-1のAlが ギ は 根 端2∼3mmに 集 積 し根 の 伸 長 が 阻 害 され(Wenzl 算 した)のAlが 約4μmol(g生 重)-1(根 端 の 含 水 率90%と 集 積 し 根 の 伸 長 が 阻 害 され た(Delhaize は 、根 の 伸 長 が 阻 害 され たBrachiaria decumbensや 根 の 伸 長 が 阻 害 さ れ な い こ とか ら、根 端 内Al耐 チ ャノキ やE.globlus 根 端 に 集 積 して も 性 機 構 を 持 っ て い る こ とが 予 想 され る 。し か し 、 よ うに 、耐 性 が 異 な る近 縁 種 を 用 い て 明 確 ア ポ プ ラス トAl、 シ ン プ ラス トAl、 残 渣Alの3つ ア ポ プ ラス トAlと シ ン プ ラス トAlは 処 理 開 始 後3∼12時 同 程 度 の 濃 度 を 示 した が 、残 渣Alは りも 高 か っ た(図5-4)。 して い るAlな et al.1993a)。 性 機 構 の 存 在 が 示 され て い な い 。 脱 着 液 を 使 っ て 根 端 のAlを cajuputiよ 性 コム して 乾 重 当 た りの 濃 度 か ら換 コム ギ よ りも 多 くのAlが これ らの 植 物 で は 、本 研 究 に お け るM.cajuputiの に 根 端 内Al耐 et al.2001)、Al耐 間 で はM 処 理 開 始 後1∼24時 残 渣Alは 間 常 にM.bracteataの りも根 端 に 強 く結 合 したAlが 根 端 はM.cajuputiよ 質 を 多 く含 ん で い る とい うこ とが 考 え られ る。M.bracteataの ニ ン の 蓄 積 が 起 きて い る の で 、M.bracteataの .cajuputiとM.bracteataで ほ うがM . 、脱 着 液 に よ っ て も離 れ な い ほ ど 根 端 に 強 く結 合 の で 、M.bracteataでM.cajuputiよ て い る。この 現 象 の 説 明 とし て 、M.bracteataの に 分 画 す ると、 りもAlと 根 端 で はAlに 根 端 でAlが 多 い ことを 示 し 強 く結 合 す る物 よっ て カ ロー ス とリグ カ ロ ー ス あ る い は リグ ニ ン と強 く結 合 し て 存 在 して い る 可 能 性 が 考 え られ る。しか し、Alと カ ロ ー ス が 共 に 集 積 した 細 胞 壁 か らカ ロ ー ス を 酵 素 に よ っ て 分 解 して 除 い て も 、細 胞 壁 のAl含 al.1999b)、Alは et カ ロ ー ス と結 合 せ ず に 存 在 して い る と考 え られ る。一 方 、カ ル ボ キ シ ル 基 や フ ェ ノー ル 性 水 酸 基 を 持 つ リグ ニ ン はAlと 2003)、M.bracteataの M.cajuputiのAl耐 量 が 変 わ らな か っ た こ とか ら(Chang 根 端 でAlが 性 機 構 に よる も の で あ る こ とが 分 か っ た が 、そ の 耐 性 機 胞 レ ベ ル あ る い は 非 細 胞 レ ベ ル)や 耐 性 機 構 の 存 在 部 位(細 胞 壁 、 細 胞 膜 、細 胞 質 な ど)は 明 らか で な い 。そ こ で 、Alに て 、McajuputiとM.bracteataの et al. リグ ニ ン と強 く結 合 し て 蓄 積 して い る 可 能 性 が あ る 。 性 は 根 端 内Al耐 構 が 発 揮 さ れ る レベ ル(細 錯 体 を 形 成 す る能 力 を 持 つ の で(Katsumata よる カ ロ ー ス の 生 成 をAl耐 根 か ら 単 離 した プ ロトプ ラ ス トのAl耐 111 性 の 指 標 とし 性 を 比 較 し 、M.cajuputi の 根 端 内Al耐 性 機 構 が 発 揮 され る レ ベ ル と存 在 部 位 に つ い て 情 報 を 得 ようとした 。Al耐 性 の 種 間 差 が プ ロ トプ ラ ス トで も 認 め られ た 場 合 は 、根 端 内Al耐 性 機 構 は 細 胞 レベ ル で 発 揮 され 、 プ ロ トプ ラス ト内(細 胞 膜 あ る い は 細 胞 質 、核)に 存 在 す る こと に な る 。Al耐 性 の 種 間 差 が プ ロト プ ラス トで は 認 め られ な か っ た 場 合 は 、根 端 内Al耐 性 機 構 は 非 細 胞 レベ ル で 発 揮 され て い る か 、あ る い は 細 胞 レ ベ ル で 発 揮 され 細 胞 壁 に 存 在 す る こ とに な る。カ ラ ス ム ギ(Ayena L.)や コ ム ギ 、オ オ ム ギ(Hordeum シ(Zea mays)の M.bracteataの vulgare)の 葉 肉 細 胞 か ら単 離 し た プ ロ トプ ラス トと、トウモ ロコ 根 端 か ら単 離 した プ ロ トプ ラス トに お い てAlに こさ れ た との 報 告 が あ る(Schaeffer and Walton1990,Horst 理 を す る と対 照 区 の1.3倍 理 を す る と対 照 区 の2 .7倍 しか し 、M.cajuputiと よ るカ ロ ー ス の 生 成 に 増 大 した が 、Fe(II)抜 き でAl処 で あ り、タバ コ培 養 細 胞 に お い てAlに 察 す る に は 、処 理 溶 液 中 にFe(II)の プ ロ トプ ラス トに お い て もAlに を 明 確 に 観 察 す る に は 、処 理 溶 液 中 にFe(II)が 根 端 内Al耐 よる カ ロー ス 生 成 を 明 確 に 観 存 在 が 必 要 で あ る こ とが 報 告 さ れ て い る(Chang 従 っ て 、M.cajuputiとM.bracteataの M.cajuputiの et al.1997)。 期 待 した 情 報 を 得 るこ とが で き な か っ た 。タバ コ 培 養 細 胞 に お け る カ ロー ス 生 成 は 、Fe(II)と共 にAl処 1999b)。 よっ て カ ロー ス の 生 成 が 引 き 起 い ず れ の 根 端 か ら 単 離 し た プ ロ トプ ラ ス トに お い て もAlに は 明 確 で な く(図5-5b)、 sativa et al. よる カ ロー ス 生 成 存 在 す る ことが 必 要 で あ る の か も しれ な い 。 性 機 構 が シ ュ ウ酸 や クエ ン 酸 、リン ゴ 酸 に よる 根 端 内 で のAlの 無 害 化 に よるも の で あ る 可 能 性 を 根 の 有 機 酸 濃 度 を 調 べ る こ とに よ り検 討 した 。有 機 酸 のAl無 害 化 能 力 は そ の 種 類 に よっ て 異 な っ て お り、クエ ン 酸 はAlと ウ 酸 は3倍 濃 度 が 必 要 で あ り、リン ゴ 酸 は6∼8倍 とにM.cajuputiとM.bracteataの 等 濃 度 でAlを 無 害 化 で き る が 、シ ュ 濃 度 が 必 要 で あ る(Ma2000)。 根 内 の シ ュ ウ 酸 、クエ ン 酸 、リン ゴ 酸 に よるAlの を 推 定 す る と、両 種 とも 約1.2μmol い が な か っ た の で 、M.cajuputiの Al(g乾 高 いAl耐 この 情 報 をも 無 害 化 能力 重)-1と な っ た 。両 種 の 有 機 酸 の 無 害 化 能 力 に 違 性 は 根 の 有 機 酸 に よ るも の とは 言 え な か っ た 。本 研 究 で は 根 全 体 の 有 機 酸 濃 度 を 分 析 し た が 、根 全 体 と根 端 で は 有 機 酸 濃 度 が 異 な っ て い る 可 能 性 が あ る の で(Wenzl et al.2002)、Alが 侵 入 し根 の 伸 長 阻 害 を 引 き 起 こす 部 位 で あ る 根 112 端 の 有 機 酸 濃 度 も 調 べ る 必 要 が あ ろ う。 カ テ キ ン 、クエ ル セ チ ン な ど の フ ェ ノー ル 物 質 はAlと (Barcelo and Poschenrieder2002)。 結 合 してAlを 無 害 化 す る能 力 が あ る フ ェ ノー ル 物 質 に よる 根 端 内 で のAl無 害 化 の 可 能 性 を検 討 す る た め に 、根 端 の フ ェ ノー ル 物 質 濃 度 を 可 溶 性 フ ェ ノー ル 物 質 と細 胞 壁 結 合 性 フ ェ ノー ル 物 質 に 分 け てM.cajuputiとM.bracteataで ェ ノー ル 物 質 濃 度 はM.cajuputiとM 質 濃 度 はM.cajuputiの 比 較 し た 。Al処 理 を した ときの 根 端 の 可 溶 性 フ .bracteataで ほ うがM.bracteataよ 同 程 度 で あ り、細 胞 壁 結 合 性 フ ェ ノー ル 物 り低 か っ た(図5-7) ェ ノー ル 物 質 と細 胞 壁 結 合 性 フ ェ ノー ル 物 質 の 量 はM 。従 っ て 、根 端 の 可 溶 性 フ .cajuputiのAl耐 性 を 決 定 して い な い と 考 え られ る 。た だ し、一 言 に フ ェ ノー ル 物 質 と言 っ て も 、そ の 種 類 に よっ てAl結 っ て い る の で(Ofei-Manu et al.2001)、M.cajuputiとM.bracteataで 組 成 が 違 い 、根 端 で の フ ェ ノー ル 物 質 に よるAlの 合 能 力 は異 な 根 端 の フ ェ ノー ル 物 質 の 無 害 化 能 力 がM.cajuputiでM.bracteata よ りも 高 い 可 能 性 は あ る 。本 研 究 で 用 い た フ ェ ノー ル 物 質 の 測 定 法 は 、ホ ー リン-デ ニ ス 試 薬 が フ ェ ノ ー ル 物 質 の 水 酸 基 あ る い は メ トキ シ 基 に よ っ て 還 元 さ れ る 反 応 を 利 用 し て い る (Hagerman and Butler1989)。 リグ ニ ン は 、フ ェ ノー ル 性 水 酸 基 や メトキ シ 基 を 持 つ フ ェノー ル 物 質 と考 え る こ とが の で 、M.bracteataの ル 物 質 は(図5-7)、Alに 根 端 でAlに よ っ て 増 加 した 細 胞 壁 結 合 性 の フ ェ ノー よ っ て 根 端 の 細 胞 壁 に 蓄 積 した リグ ニ ン(図5-3)を 検 出 した も の で は な い か と考 え られ る。 葉 緑 体 を 持 た な い 植 物 の 根 に お け る 活 性 酸 素 種 の 生 成 は 、大 部 分 が ミトコ ン ドリア で の 呼 吸 に 伴 うO2-の (O2)か 生 成 で あ る(Moller2001)。 ら生 成 したO2-は に 変 換 さ れ 、H2O2は に 水(H2O)に 植 物 は 活 性 酸 素 種 の 消 去 機 構 を 持 っ て お り、酸 素 、ス ー パ ー オ キ シ ドジ ス ム タ ー ゼ(SOD)な ペ ル オ キ シ ダ ー ゼ や ア ス コル ビ ン 酸 ペ ル オ キ シ ダ ー ゼ な ど に よ り最 終 的 変 換 され る(Blokhina et al.2003)。 しか し、こ の 消 去 系 の 能 力 を 超 え る 量 の 活 性 酸 素 種 が 生 成 さ れ る と脂 質 過 酸 化 が 引 き 起 こ さ れ る(Halliwell bracteataで は 、Alに ど に より過 酸 化 水 素(H2O2) and Gutteridge1999) よっ て 根 端 の 脂 質 過 酸 化 が 促 進 され る傾 向 に あ っ た(図5-8) 113 。M 。従 っ て 、 M.bracteataで は 活 性 酸 素 種 が 蓄 積 し て い た 可 能 性 が あ る。Alに よる 脂 質 過 酸 化 は 、ダ イズ の 根 端 、タ バ コ 培 養 細 胞 、エ ン ドウマ メの 根 端 で も 報 告 され て い る(Cakmak Ono et al.1995,Yamamoto et al.2001)。 が 見 られ な か っ た の で 、M.cajuputiの 一 方 、M.cajuputiで and Horst1991 , は 、Alに よ る根 端 の 脂 質 過 酸 化 根 端 に お け る活 性 酸 素 の 消 去 能 力 がM.bracteataよ り も高 い 可 能 性 が ある。 エ ン ドウマ メの 根 端 や タ バ コ 培 養 細 胞 で は 、Alに よ っ てO2-が ロ エ チ ジ ウム を 用 い た 観 察 で 示 さ れ て い る(Yamamoto 5-9)。Al処 理 を したM.cajuputiとM .bracteataの O2-の 蓄 積 は 見 られ な か っ た(図5-9)。 蓄 積 す る ことが 蛍 光 色 素 ジ ヒド et al.2002,Kobayashi 根 端 を 同 じ蛍 光 色 素 を 用 い て 観 察 した が 、 従 っ て 、両 種 とも 根 端 に お い てO2-はSODな て 十 分 消 去 され て い る と考 え られ る。シ ロイ ヌ ナ ズ ナ で は 、H2O2の 2',7'-ジ ク ロロ フ ル オ レ セ イ ン ジ ア セ タ ー ト(Costa-Pereira and っ て 根 端 に 活 性 酸 素 種 が 蓄 積 す る ことが 示 され て い る(Ezaki 種 の 蓄 積 が 示 唆 され たM.bracteataの cajuputiとM.bracteataに et al.2004,図 根 端 で も 、H2O2が どに よっ 検 出 に 用 い られ る 蛍 光 色 素 Cotter1999)を 用 いて et al.2000)。Alに 、Alに よ よる活 性 酸 素 蓄 積 して い る 可 能 性 が あ る。も しM. 活 性 酸 素 消 去 能 力 の 違 い が あ る とす るな らば 、両 種 ともO2-は 十分 消 去 さ れ て い る の で 、そ の 活 性 酸 素 消 去 能 力 の 違 い は ペ ル オ キ シ ダ ー ゼ 活 性 や ア ス コ ル ビ ン 酸 ペ ル オ キ シ ダ ー ゼ 活 性 な ど のH2O2の 本 章 で は 、M.cajuputiのAl耐 消 去 能 力 の 違 い で あ る可 能 性 が ある。 性 は 、Al排 除 機 構 に よるも の で は な く根 端 内Al耐 よ るも の で あ る ことを 明 らか に し た 。そ の 根 端 内Al耐 もの で あ る 可 能 性 が あ る。 114 性機構 に 性 機 構 は 、高 い 活 性 酸 素 消 去 能 力 に よる 第6章 Melaleuca cajuputi のアルミニ ウム 耐 性機 構 酸 性 硫 酸 塩 土 壌 の 土 壌 溶 液 に は 、2∼3mMと 2-1)。 こ のAl濃 度 は 、Melaleuca (図2-2)。 性 が 高 くな い 樹 木 の 生 育 を阻 害 す る 酸 性 硫 酸 塩 土 壌 に植 栽 して も全 く生 育 で きな か った fragrans、Eucalyptus lineatum、Sy.oblatum、Sy.pachyphyllum を 持 っ て い た(図3-2)。 、Sy.scortechinii、Sy.Zeylanicum;第2章) つ い てAl耐 ま た 、Acacia mangiumも 非 常 に 高 濃 度 のAlを 種(Acacia alba 、M.arcana、M.cajuputi、M.leucadendra、 の うち 、M.cajuputiとM.leucadendraに al.1997)。 含 まれ て い た(表 一 方 、本 研 究 で 選 抜 され た 酸 性 硫 酸 塩 土 壌 で 生 育 可 能 な11樹 mangium、Fagraea Syzygium の ようなAl耐 bracteata の に 十 分 で あ る。実 際 に 、M.bracteataを い う非 常 に 高 濃 度 のAlが 性 を 評 価 した ところ 性 性 を 持 つ との 報 告 が あ る(Osawa et 高 いAl耐 、両 種 とも 高 いAl耐 土 壌溶 液 に含 む 酸 性 硫 酸塩 土壌 では 、高 いAl耐 性 を持 っ て い る こ とが 生 育 す る た め の 必 要 条 件 と考 え られ る。従 っ て 、酸 性 硫 酸 塩 土 壌 に お け る 造 林 樹 種 を 選 抜 す る に は 、候 補 樹 種 のAl耐 性 を 知 っ て お くことが 重 要 で あ る。本 研 究 で は 、酸 性 硫 酸 塩 土 壌 で の 造 林 候 補 樹 種 で あ る フ トモ モ 科9樹(E.camaldulensis 、E.deglupta、E. grandis、M.bracteata、M.cajuputi、M.glomerata、M.leucadendra、M.quinquenervia viridiflora)に つ い てAl耐 M.quinquenerviaの5樹 性 を 評 価 し た 。E .deglupta、E.grandis、M.cajuputi、M.leucadendra 種 は 、1mMのAlに 、 対 して 耐 性 が あ る こ とが 分 か り 、酸 性 硫 酸 塩 土 壌 に お け る 造 林 樹 種 とな り得 る ことが 明 らか に な っ た(第3章) 積 がAl耐 、M. 性 評 価 の 指 標 とな る こ とが 示 唆 され た(第3章)。Al耐 。ま た 、根 端 に お け る カ ロー ス の 蓄 性 を 個 体 の バ イオ マ ス 成 長 に よ っ て 評 価 す る に は 長 い 時 間 が 必 要 で あ り、また 、根 の 伸 長 に よ っ て 精 度 良 く評 価 す る に は 多 大 な 労 力 が 必 要 で あ る。Alに よる 根 端 へ の カ ロ ー ス の 蓄 積 は 、短 時 間 で 、か つ 根 伸 長 を 測 定 す る よ り少 な い 労 力 で 測 る ことが で き る。酸 性 硫 酸 塩 土 壌 に お け る 造 林 候 補 樹 種 のAl耐 評 価 す る 際 に 有 効 な 手 法 とな ろ う。 115 性を 植 物 のAl耐 性 に 関 す る研 究 は 、主 に 作 物 や モ デ ル 植 物 を 用 い て 行 わ れ て きた 。植 物 のAl 耐 性 の 評 価 に は 根 の 伸 長 阻 害 が 指 標 として 用 い られ る が 、Al3+以 外 の イオ ン に よる 干 渉 を 避 け るた め に 、根 の 伸 長 に 不 可 欠 なCaの み を 含 む 溶 液 にAlを が 頻 用 され 標 準 的 な 評 価 法 とな っ て い る。Ca溶 や モ デ ル 植 物 で は1∼50μMのAlに (Arabidopsis et al.2004)、 液 中 のAlに 統 は1μM aestivum)のAl耐 穀 物 作 物 の 中 で 最 もAl耐 Alで50%根 イ ネ 科 牧 草Brachiaria さえ50μMで cajuputiは decumbensで 約40%(Wenzl 性 そ れ ぞ れCa 液 中の 性 を 持 っ て い る と言 え る。Ca溶 。M. 液 中 耐 性 を 持 つ 植 物 は 、これ ま で に 報 告 例 が な い 。 性 を 持 つ と考 え られ て い る が 、Ca溶 よ っ てAl耐 イ オ ン に よっ て 干 渉 され る た め 、Ca溶 液 でAl耐 液 中 のAlと 同 程 度 の 障 害 を 引 き 起 こす た め のAl濃 manniferaとPinus も根 の 伸 長 が 阻 害 さ れ ず(Huang よ っ て も(Silva 性 が 調 べ られ た 性 が 評 価 され て い る。培 養 液 中 で はAl3-が 他 の 液 よ りも 高 くな る 。以 下 の ような 樹 木 が 、培 養 液 中 のAlに 示 し た との 報 告 が あ る 。Eucalyptus radiataは 度は 対 して 高 い 耐 性 を 培 養 液 中 の2222μMのAlで et al.2004) and Bachelard1993)、E.globulusとE.urophyllaは1600μM 、Betula pendulaは1300μMのAlに Proctor2000)根 の 伸 長 が 阻 害 さ れ な か っ た 。M .cajuputiに 555μMのAlに 耐 性 を 持 つ とい う報 告 が あ るが(Osaki 2500μMのAlに et al.2001)、 よ っ て も 全 く根 の 伸 長 が 阻 害 され な い とい うこ とが 見 い だ され た(図5-1) 例 は 少 な く、主 に 培 養 液 中 のAlに のAlに sativa)のAl耐 よ っ て 根 の 伸 長 が 阻 害 され た 。本 研 究 で 用 い たM.cajuputiはCa溶 樹 木 は 作 物 よ りも 高 いAl耐 培 養 液 で はCa溶 et al. 性 の 高 さか ら近 年 注 目 され て い る 熱 帯 作 物 や モ デ ル 植 物 に 比 べ て 極 め て 高 いAl耐 の1000μMのAlに の 伸 長 が 阻 害 され(Toda 性 が 高 い と言 わ れ て い るイ ネ(Oryza et al.2002)、Al耐 1000μMのAlに 性 評 価 に よ れ ば 、作 物 性 準 同 質 遺 伝 子 系 統ET8は50μMで50%(Sasaki 品 種 コシ ヒカ リは50μMで42%(Ma 溶 液 中 のAlに よるAl耐 よ っ て 根 の 伸 長 が 阻 害 さ れ る。例 え ば 、シ ロイヌ ナ ズ ナ thaliana)のLandsberg系 1999)、 コム ギ(Triticum 加 え て 短 時 間 根 を 浸 す とい う方 法 よっ て も(Kidd つ い て は 、これ ま で に 培 養 液 中 の et al.1997)、 本 研 究 に より培 養 液 中 の よっ て も 根 の 伸 長 が 阻 害 され な い こ とが 見 い だ さ れ た(図3-8) 116 and 。M.cajuputi のAl耐 性 は 従 来 考 え られ て い た よ りも遥 か に 高 く、ま た 他 の 樹 木 と比 べ て も 高 い と言 え る 。前 述 の よ うに 酸 性 硫 酸 塩 土 壌 で は 土 壌 溶 液 中 にAlが2∼3mM存 cajuputiが 持 つ こ の 高 いAl耐 植 物 のAl耐 性 の 生 態 的 意 義 は 大 きい 。 性 機 構 を 解 明 す る に は 、Al耐 性 が 大 きく異 な り、Al耐 性 以 外 の 形 質 が な る べ く 同 一 で あ る植 物(品 な ら 、Al耐 在 す るこ とを 鑑 み る と、M 種 や 近 縁 種)と 比 較 す る の が 効 率 的 か つ 確 実 性 が 高 い 手 法 で あ る 。な ぜ 性 に 関 わ っ て い る と思 わ れ る 多 数 の 現 象 の 中 か ら、本 質 的 な 現 象 の み を 抽 出 で き るか らで あ る 。コ ム ギ に お い て は 、Al耐 性 が 異 な る 準 同 質 遺 伝 子 系 統ET8とES8が ET8とES8を 作 られ 、 比 較 す る ことに よ っ て 、Alで 活 性 化 を 受 け る リン ゴ 酸 トラ ン ス ポ ー タ ー を 介 した 根 端 か ら の リン ゴ 酸 分 泌 に よるAl排 et al.2004)。 除 機 構 が コム ギ のAl耐 ま た 、Al耐 性 の 熱 帯 イ ネ 科 牧 草Brachiaria raziziensisと の 比 較 に よ っ て 新 規 のAl耐 性 機 構 として 明 らか に な っ た(Sasaki decumbensと 、そ の 近 縁 種Braohiaria 性 機 構 が 探 索 され て い る(Kochian し、この ような 手 法 が 用 い ら れ て い る の は1∼50μMのAlで et al.2004)。 しか 障 害 を 受 け る よ うな 耐 性 が 低 い 作 物 で あ り、樹 木 の よ うに 高 いAl耐 性 を 持 つ 植 物 で は ほ とん ど 用 い られ て い な い 。本 研 究 で は 、 M.bracteataと 耐 性 が 異 な る 近 縁 種 を 見 い 出 し た(第3章)。M い うM.cajuputiと 培 養 液 中 の2.5mMのAlに のAlで よっ て も 根 の 伸 長 が 阻 害 され な か っ た が 、M.bracteataは0.2mM 根 の 伸 長 が 大 き く阻 害 され た(図3-8)。 ま た 、Ca溶 全 く根 の 伸 長 が 阻 害 され な か っ た が 、M.bracteataは (図5-1)。 こ の ようにM.bracteataはM.cajuputiとAl耐 液 中 の1mMのAlに cajuputiは る こ とに よ っ てM.cajuputiの .cajuputiは 極 め て 高 いAl耐 根 の 伸 長 が90%阻 よっ て 、M. 害 され た 性 が 大 き く異 な り、この 両 種 を 比 較 す 性 機 構 を 高 い 確 実 性 を持 って 効 率 的 に解 明 す る ことが で き た 。 根 端 は 、Alが 侵 入 し根 の 伸 長 阻 害 を 引 き 起 こす 部 位 として 、Al耐 に 重 要 な 部 位 で あ る 。従 っ て 、Al耐 と根 端 にAlが 性 機 構 は 、根 端 にAlが 集 積 して も 耐 え られ る 「根 端 内Al耐 ま で の とこ ろ 、植 物 のAl耐 性 機 構 を考 え る上 で 非 常 集 積 す る の を 防 ぐ 「Al排 除 機 構 」 性 機 構 」に 分 け て 考 え るこ とが で き る。現 在 性 機 構 に 関 す る研 究 の 多 くは 、根 端 か らの 有 機 酸 分 泌 に よるAl排 117 除 機 構 に 注 目 して お り、実 験 的 証 拠 の ほ とん ど が この 機 構 に 関 す る もの で あ る(Kochian 2004)。 本 研 究 で も 、そ の 可 能 性 を 検 証 した が 、M.cajuputiの ど のAl結 合 性 物 質 の 分 泌 に よ るAl排 bracteataの Al耐 不 溶 化 や 細 胞 壁 の 低 いAl親 性 はAl排 る も の で あ る ことを 明 らか に した(第5章)。 Al耐 合 性 物 質 の 分 泌 以 外 に も 、根 圏 のpH 和 性 な ど のAl排 性 の 差 が 現 れ る 初 期 の 段 階 で 根 端 のAl濃 ことに よ っ て 、M.cajuputiのAl耐 性 は有機 酸 な 除 機 構 に よるも の で は な い ことをM.cajuputiとM. 比 較 に よっ て 明 らか に した(第4章)。Al結 上 昇 に よ るAlの 極 め て 高 いAl耐 et al. 除 機 構 が 提 唱 され て い る が 、 度 をM.cajuputiとM.bracteataで 除 機 構 に よるも の で な く、根 端 内Al耐 本 研 究 は 、根 端 内Al耐 比較する 性 機 構 によ 性 機 構 に よって極 め て 高 い 性 が 達 成 で き る ことを 近 縁 種 の 比 較 に よ っ て 明 確 に 示 した 初 め て の 例 で あ る 。根 端 内Al 耐 性 機 構 に 注 目 した 研 究 は ほ とん ど 行 わ れ て い な い 。例 え ば 、チ ャ ノキ(Camellia ソバ(Fagopyrum esculentum)な ど 「Al蓄 積 型 植 物 」で は 、葉 に お い てAlが して 無 害 な 形 態 で 高 濃 度 に 蓄 積 して い る こ とが 知 られ て い る が(Nagata 2002)、 これ ら の 植 物 に お い て も 、根 端 に お け るAlの て お らず 、これ ら の 植 物 が 根 端 内Al耐 究 で 明 らか に したM.cajuputiの sinensis)や シ ュ ウ酸 な ど と結 合 et al.1992,Shen et al. 集 積 量 や 存 在 形 態 は ほ とん ど 調 べ られ 性 機 構 を 有 し て い るか は 明 確 に 示 され て い な い 。本 研 根 端 内Al耐 性 機 構 に つ い て 検 討 した 結 果 、Alに よ っ て 生 成 が 増 大 す る 活 性 酸 素 の 消 去 能 力 がM.cajuputiのAl耐 性 に 寄 与 して い る ことが 可 能 性 として 考 え られ た 。 有 機 酸 の 分 泌 に よ るAl耐 性 機 構 が コム ギ な ど の 作 物 を 用 い て 遺 伝 子 レ ベ ル ま で 解 明 され つ つ あ り、形 質 転 換 に よるAl耐 性 の 付 与 が 試 み られ て い る。Al耐 酸 トラ ン ス ポ ー タ ー 遺 伝 子ALMT1を オ オ ム ギ(Hordeum て 根 か らリン ゴ 酸 が 分 泌 され 、培 養 液 中 の2μMのAlで で も 阻 害 され な くな っ た が 、40μM (Delhaize et al.2004)。 Alで ま た 、同 じ くALMT1を 泌 は 確 認 され た が 、イネ のAl耐 はAl耐 性 コム ギ か ら単 離 した リン ゴ vulgare)で 発 現 させ る と、Alに 反 応 し 阻 害 さ れ て い た 根 の 伸 長 が20μM Al 性 コ ム ギ と 同 様 に 根 の 伸 長 が 阻 害 され た イ ネ で 発 現 させ る と、Alに 反 応 した リン ゴ 酸 の 分 性 は 高 ま らな か っ た(Sasaki 118 et al.2004)。 この 結 果 に 対 して 著 者 らは 、リンゴ 酸 の 分 泌 に よるAl排 除 機 構 で は イネ が 元 来 持 って い る 高 いAl耐 性 を超 えるこ とが で きな か っ た の で は な い か とい う説 明 を 与 えて い る(Sasaki et al.2004)。 この ように現 在 ま で の ところ 、根 か らの リンゴ 酸 の 分 泌 によるAl排 除 機 構 で は 、数 十 μM程 度 のAlに 対 す る耐 性 しか 付 与 され て い な い 。リン ゴ酸 の 生 成 と分 泌 を人 為 的 に さらに 増 大 させ るな どして 、さらに 高 いAl耐 性 を植 物 に 付 与 す ることが 可 能 か も知 れ な い。しか し、有 機 酸 分 泌 に は 、光 合 成 産 物 の 根 か らの 漏 出 とい う側 面 もあ り、そ の ことが 成 長 に 及 ぼ す 影 響 も考 慮 しな けれ ば な らな い。 これ に 対 し、M.cajuputi 1000μMのAlに の 根 端 内Al耐 性機 構 は 、根 か らの 光 合 成 産 物 の 漏 出 を ともな わ ず に 対 す る耐 性 を付 与 す ることが 可 能 で あ る。本 研 究 で 先 鞭 をつ けた M.cajuputi のAl耐 性 機 構 を遺 伝 子 レベ ル まで 解 明 す れ ば 、形 質 転 換 に よっ て植 物 に 強 力 なAl耐 性 を付 与 す る道 が 開 け 、Alが 問 題 とな る"強 い"酸 性 土 壌 に お け る作 物 や 樹 木 に よる生 物 生 産 の 向 上 に 資 す ることが で きる。 119 謝 辞 本 研 究 を行 うに あ た って 、終 始 的 確 に ご指 導 して 下 さった 東 京 大 学 ア ジ ア 生 物 資 源 環 境 研 究 セ ンター 教 授 の 小 島 克 己 博 士 に 深 く感 謝 す るととも に厚 く御 礼 申 し上 げ ます 。 三 重 大 学 の 八 木 久 義 博 士 、東 京 大 学 の 宝 月 岱 造 博 士 、丹 下 健 博 士 、練 春 蘭 博 士 、益 守 眞 也 博 士 に は 、本 研 究 に 関 して 多 くの ご助 言 を い た だ きました 。東 京 大 学 の 則 定 真 利 子 博 士 、 山 ノ下 卓 博 士 、古 川 原 聡 氏 に は 、本 研 究 全 般 に わ た って 度 々 ご 助 言 とご 助 力 を い た だ き まし た 。また 、タイ王 室 森 林 局 の タニ ット・ヌイム 氏 に は 、タイ国 で研 究 を行 うに あた って ご協 力 い た だ きました 。これ らの 方 々 に 深 く感 謝 す るとともに 心 か ら御 礼 申 し上 げ ます 。 本 研 究 を進 め る に あ た って 多 くの 方 々 か らご 助 言 とご助 力 を い た だ きました 。ICP発 光分析 装 置 の 使 用 お よび カ ロー スとリグ ニ ン の 定 量 に 関 して ご助 言 を 下 さっ た東 京 大 学 の 飯 山 賢 治 博 士 、プ ロトプ ラス トの 単 離 に 関 してご 助 言 を 下 さった 東 京 大 学 の 井 出 雄 二 博 士 、土 壌 溶 液 の 採 取 に 関 して ご助 言 とご 協 力 を い た だ い た 東 京 大 学 の 井 本 博 美 氏 、ゲ ル 濾 過 クロマ トグ ラフィ ー に 関 して ご助 言 を 下 さっ た 東 京 大 学 の 勝 亦 京 子 博 士 、種 々 の 器 械 の 使 用 に 便 宜 を 図 っ て 下 さっ た 奈 良 一 秀 博 士 、カ ロー スの 測 定 に 関 して ご助 言 を 下 さった 東 京 大 学 の 田 野 井 慶 太 朗 氏 、酸 性 硫 酸 塩 土 壌 に お け る植 栽 試 験 に ご協 力 下 さった タイ 王 室 森 林 局 の 諸 氏 、ご 助 言 とご 助 力 を 下 さった 東 京 大 学 造 林 学 研 究 室 お よび 樹 木 生 理 学 ・ 熱 帯 造 林 学 研 究 室 の 諸 氏 に感 謝 致 します 。 最 後 に 、博 士 課 程 で の 研 究 生 活 を維 持 す る上 で 不 可 欠 で あ っ た 経 済 的 援 助 をして くれ た 両 親 と、共 に博 士 課 程 で の研 究 生 活 を走 りきった 妻 に感 謝 の 意 を表 します 。 120 引用文献 Ahn SJ, Sivaguru M, Osawa H, Chung GC, Matsumoto H (2001) Aluminum inhibits the H+-ATPase activity by permanently altering the plasma membrane surface potentials in squash roots. 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