1. 植物の凍結適応機構・解除機構
植物は、周辺の環境の変化に合わせながら成長しており、とくに低温や凍結は大きなストレスとなる。植物が凍る温度にさらされると、細胞の外に氷ができ、水が外へ引き出されるため、細胞は乾いた状態になる。さらに、氷が大きくなると押しつぶす力が生じ、細胞の膜の構造が傷つくことがある。このような凍結によるダメージを避けるため、多くの植物は気温の低下を感じ取ると成長をおさえ、低温馴化（cold acclimation）という過程を通して凍結に耐える力を高める。
一方で、気温が上がると植物は凍結に対する耐性を下げ、再び成長を始める。この過程は脱馴化（deacclimation）と呼ばれ、季節の変化や昼夜の気温変動の中で、「耐えること」と「成長すること」のバランスをとるための重要な調節のしくみである。したがって、低温馴化と脱馴化は単純にオン・オフで切り替わるものではなく、環境の変化に応じてエネルギーの使い方や防御状態を柔軟に調整する、一連の適応の過程として考える必要がある。
私たちは、低温馴化と脱馴化のあいだで起こる糖の変化に注目し、水に溶ける糖と細胞壁に関わる成分の変化を調べた。その結果、低温馴化のときには可溶性糖と特定の細胞壁成分が増えるのに対し、脱馴化では可溶性糖は減る一方で、一部の細胞壁成分は保たれていることが分かった。さらに、いったん脱馴化した植物をもう一度低温馴化させると、最初のときよりも高い凍結耐性を示す。これらの結果は、低温馴化と脱馴化が単なる「適応」と「解除」のくり返しではなく、次に来る寒さに備えるための適応戦略として働いている可能性を示している。このしくみが凍結耐性と成長のバランスにどのように影響するかを明らかにすることで、変わりやすい環境の中で植物がどのように適応しているのかの理解が深まると期待される。
植物は低温に曝されると凍結耐性が上昇するが、
その一方で成長は停止する
2. 多糖が貢献する凍結適応機構
これまで、低温馴化の過程では、水に溶ける糖が増えたり細胞膜の性質が変わったりすることが、乾燥によるダメージをやわらげる主な要因だと考えられてきた。これに対して私たちは、細胞の外側にある細胞壁の構造が変わることも、凍結に耐える力にとって重要であることを示してきた。細胞壁をつくる多糖の組み替えに加え、デンプンやフルクタンのような貯蔵多糖がたまったり分解されたりすることも、細胞内の水分バランスの調整や構造の安定化に役立つ。つまり、これらの「多糖」は単なる材料ではなく、凍結や脱水から細胞を守る防御の仕組みの一部として働いている。
さらに、低温馴化にともなう多糖の種類や量の変化は、細胞や組織のかたさやしなやかさといった力学的な性質を変え、その結果として形の変化としても現れる。このような形の変化は、凍結や脱水に耐える力の獲得と深く関係していると考えられる。また、細胞壁の作り替えは細胞の強さや水分を保つ性質にも影響し、凍結時に構造が壊れるのを防ぐ要因になり得る。さらに、多糖の使われ方が状況に応じて変わることで、環境の変化にすばやく対応できる柔軟な生理状態がつくられると考えられる。私たちは、細胞壁の変化、多糖の代謝、そして形の変化をまとめて捉えることで、植物が低温環境に適応するしくみを仕組みのレベルで理解することを目指している。
低温に曝した時のコマツナの形態変化
葉面がボコボコした形になる
3. 極限乾燥耐性植物の適応機構
陸上の植物は強い乾燥にさらされると、細胞膜が傷ついたり細胞壁が変形したりし、最終的には細胞が死んでしまう。しかし、「復活植物（Resurrection plants）」と呼ばれる植物は、乾いた状態でも細胞の構造を保ち、水を再び吸収するとすぐに生命活動を再開することができる。
乾燥に耐える仕組みとしては、トレハロースの蓄積が細胞内の成分を守るうえで重要だと考えられてきたが、それだけでは十分に説明できず、他の仕組みの関与も示唆されている。代表的な復活植物であるイワヒバ（Selaginella tamariscina）は、極端に乾燥した状態でも細胞をほとんど傷つけずに保つことができる。一方、同じ仲間のイヌカタヒバ（S. moellendorffii）はトレハロースを蓄積するにもかかわらず、同じレベルの乾燥耐性を示さない。この違いには、膜の性質や保護タンパク質など、さまざまな要因が関わっていると考えられる。
本研究室では、イワヒバとイヌカタヒバを比較することで、細胞壁という視点から復活植物の乾燥ストレス耐性のしくみを明らかにすることを目指している。復活植物の仕組みを解明することで、植物がどのように過酷な環境で生き残ってきたのかという進化的な生存戦略の理解につながると期待される。
乾燥・吸水時の復活植物イワヒバの様子
乾燥しても水を与えれば迅速に復活する