無重力状態で植物はどのように成長するのでしょうか?

重力は地球上のすべての生物にとって不変のものです。重力は私たちの生理、行動、発達のあらゆる側面に作用します。どんな生物であっても、私たちは重力によって地面にしっかりと固定される環境で進化してきました。

しかし、慣れ親しんだ環境から引き離され、進化の経験外の状況に置かれたらどうなるでしょうか。これはまさに、私たちが研究室で育てている植物に毎日問いかける質問です。植物は地球上の研究室で育ちますが、宇宙へと旅立ちます。植物にとって、宇宙飛行の無重力状態よりも新しい環境があるでしょうか。

宇宙での生活に植物がどのように反応するかを研究することで、植物が環境の変化にどのように適応するかについてさらに詳しく知ることができます。植物は地球上の生命のほぼすべての側面にとって不可欠であるだけでなく、宇宙の探査にも不可欠です。宇宙での植民地化の可能性に目を向けると、空気や水をリサイクルし、食料を補うために宇宙基地内で植物に頼る前に、植物が地球外でどのように生き残るかを理解することが重要です。

私たちが地上にいる間にも、研究用の植物は打ち上げられ、国際宇宙ステーション (ISS) へと向かいます。すでに、無重力下での植物の生育について驚くべき成果が発表され、地球上で植物がどのように生育するかについての私たちの考えが揺さぶられています。

ストレスを受けた植物から学ぶ

環境ストレスに興味があるなら、植物は特に素晴らしい研究対象になります。植物は 1 か所に留まっているため (生物学者が固着生物と呼ぶ)、環境がもたらすあらゆる問題にその場で巧みに対処しなければなりません。より好ましい場所に移動することはできず、周囲の環境を変えることもほとんどできません。

しかし、植物にできるのは、内部の「環境」を変えることです。そして、植物は周囲の摂動に対処するために代謝を操作する達人です。この特性は、私たちが研究に植物を使用する理由の 1 つです。宇宙飛行のような新しい環境でも、植物は環境の変化を敏感に報告してくれると期待できます。

人類が宇宙飛行が可能になった当初から、人々は植物が宇宙飛行にどう反応するかに興味を抱いてきました。1999年にスペースシャトルコロンビアで最初の宇宙飛行実験を実施しましたが、そのとき学んだことは今でも、植物が無重力にどう対処するかについての新たな仮説を生み出し続けています。

私たちはフロリダにいますが、研究施設は宇宙にあります

宇宙飛行には、特殊な生育環境、観察とサンプル収集のための特殊なツール、そしてもちろん軌道上での実験を担当する専門の人員が必要です。

典型的な実験は、地球上の私たちの研究室で、休眠中のアラビドプシスの種子を栄養ゲルの入ったペトリ皿に植えることから始まります。このゲルは（土とは異なり）無重力でもそのままで、成長する植物に必要な水と栄養分を提供します。その後、ペトリ皿は黒い布で包まれ、ケネディ宇宙センターに運ばれ、最終的にファルコン 9 ロケットの上にあるドラゴン カプセルに積み込まれ、ISS に運ばれます。

ドッキング後、宇宙飛行士はプレートを植物栽培ハードウェアに挿入します。内部の光が種子の発芽を促し、カメラが時間の経過とともに苗の成長を記録します。実験の最後に、宇宙飛行士は 12 日経った植物を収穫し、保存料の入ったチューブに保存します。

地球に返送されたら、保存されたサンプルに対してさらにテストを実施し、軌道上で植物が行った独特の代謝プロセスを調査することができます。

研究室に戻って解明する

私たちが最初に発見したことの 1 つは、誰もが重力が必要だと思っていた特定の根の成長戦略は、実際にはまったく重力を必要としないということでした。

植物は水と栄養分を求めて、植えられた場所から離れて根を伸ばす必要があります。地球上では、重力が成長方向を示す最も重要な「手がかり」ですが、植物は障害物を回避して進むために触覚も利用します (根の先端を敏感な指先と考えてください)。

1880 年にチャールズ ダーウィンは、傾斜した表面に沿って植物を育てた場合、根は種子からまっすぐに伸びるのではなく、片側に曲がって伸びることを示しました。この根の成長戦略は「傾斜」と呼ばれます。ダーウィンは、重力と根が表面に触れながら伸びることの組み合わせがその背後にあると仮説を立てました。そして 130 年間、誰もがそう考えていました。

しかし 2010 年に、ISS で育てた植物の根がペトリ皿の表面を横切って伸びていくのを目にしました。これは根の歪みの完璧な例であり、重力は必要ありませんでした。これは非常に驚きでした。では、明らかに重力が原因ではないのに、軌道上で根が歪む本当の理由は何なのでしょうか?

ISS 上の植物には、方向を示す手がかりとなる可能性のある第 2 の情報源があります。それは光です。私たちは、根を葉の方向から「遠ざける」重力がないため、光が根の誘導に大きな役割を果たすという仮説を立てました。

我々が発見したのは、確かに光は重要だが、どんな光でも良いわけではなく、光が有用なガイドとして機能するためには光の強さに勾配がなければならないということだ。良い香りで考えてみよう。クッキーがオーブンから出てくるときには目を閉じてキッチンまでたどり着くことができるが、家全体がチョコレートチップクッキーの香りで満ち溢れていたら、どこにいるのか分からないだろう。

代謝ツールボックスを即座に調整する

重力がないと、植物はナビゲーションに使い慣れた「ツール」を使用できないため、別の解決策を考案する必要がありました。植物は遺伝子の発現方法を調節することでそれを行うことができます。こうすることで、無重力で役立つ、または役に立たない特定のタンパク質をより多くまたはより少なく生成できます。植物のさまざまな部分が独自の遺伝子制御戦略を考案しました。

細胞壁の作成と改造に関与する遺伝子の多くは、宇宙で育った植物では異なる形で発現していることがわかった。光感知に関与する他の遺伝子（通常は地球上の葉で発現する）は、ISS では根で発現している。葉では、植物ホルモンのシグナル伝達に関与する多くの遺伝子が抑制され、昆虫防御に関与する遺伝子がより活発になっている。シグナル伝達、細胞壁代謝、防御に関与するタンパク質の相対的存在量にも、同じ傾向が見られる。

これらの遺伝子とタンパク質のパターンは物語を語っています。微小重力下では、植物は細胞壁を緩めるとともに、環境を感知する新しい方法を生み出して反応します。

私たちは、特定のタンパク質に蛍光タグを付けることで、これらの遺伝子発現の変化をリアルタイムで追跡します。光る蛍光タンパク質を組み込んだ植物は、環境の変化に応じてどのように反応しているかを「報告」できます。これらの組み換え植物は、生物学的センサー、つまり「バイオセンサー」として機能します。特殊なカメラと顕微鏡を使用すると、植物が蛍光タンパク質をどのように利用しているかを追跡できます。

宇宙からの洞察

こうした研究により、植物が外部刺激を分子レベルで感知し、反応する仕組みについて新たな理解が得られます。植物が新しい極端な環境にどのように反応するかについて学べば学ぶほど、地球上で植物が直面する変化する環境に植物がどのように対処するかを理解する準備が整います。

そしてもちろん、私たちの研究は、私たちの生物を地球から遠ざけるための共同の取り組みに情報を提供するでしょう。重力は、かつて考えられていたほど植物にとって重要ではないという観察は、重力の低い他の惑星、さらには重力のない宇宙船での農業の見通しにとって朗報です。人間は探検家であり、地球の軌道を離れるとき、私たちは間違いなく植物を連れて行きます。

アンナ・リサ・ポールはフロリダ大学の植物分子細胞生物学の大学院研究教授です。
ロバート・ファールはフロリダ大学の学際バイオテクノロジー研究センターの所長です。

この記事はもともと The Conversation に掲載されました。元の記事を読む。