気候変動によって気象がますます極端になる中でも作物を栽培し続けられるよう、植物の研究は不可欠です。
最近の研究により、植物は「水信号伝達（ハイドロシグナリング）」と呼ばれる仕組みを使い、土壌中の水分の利用可能性に応じて根の分岐する場所を調整していることがわかりました。
この研究では、干ばつ時に植物が、葉の表面にある「気孔」と呼ばれる微細な孔を閉じることで水分の損失を防いでいることも示されています。
世界各地で降雨パターンが変化していることを考えると、さまざまな土壌水分条件を感知して適応する植物の能力は、これまで以上に重要になっています。
植物は地球の表面の大部分に生息域を広げてきました。では、その成功の鍵は何なのでしょうか。
植物は単純で感覚を持たない生命体だと考えられがちです。一つの場所に根を下ろして生きてはいますが、科学者が植物について学べば学ぶほど、植物がいかに複雑で反応的であるかがわかってきます。植物は地域の条件に適応することに優れており、発芽した場所の周囲にあるものを最大限に活用する専門家なのです。
ただ、植物の生命の複雑さを学ぶことは、人々に驚きの念を抱かせるだけではありません。植物の研究は、将来も作物を栽培し続けられるようにすることにもつながります。気候変動によって気象がますます極端になるためです。
環境からのシグナルは、植物の成長と発達を形づくります。例えば、多くの植物は開花の引き金として日長を合図として使います。植物の目に見えない半分である根も、周囲の状況から得られる信号を利用して、水分や養分を探し求めるのに最適な形状を確保しています。
根は、水分をより多く見つけるために形状（例えば、表面積を増やすために枝分かれする）を適応させることで、干ばつなどのストレスから植物を守っています。しかし、つい最近まで、根が周囲の土壌に水があるかどうかをどのように感知しているのかは理解されていませんでした。
水は地球上で最も重要な分子です。多すぎても少なすぎても生態系を破壊しかねません。（最近ヨーロッパや東アフリカで見られたように）気候変動がもたらす壊滅的な影響により、洪水と干ばつの両方が起こるようになっています。気候変動によって降雨パターンがますます不規則になっているため、植物が水不足にどのように反応するかを学ぶことは、作物の回復力を高めるうえで不可欠です。
根を下ろす
植物学者、土壌科学者、数学者からなる私たちのチームは、最近発見しました。植物の根が水の吸収を最大化するために形状をどのように適応させるかについてです。通常、根は水平方向に枝分かれします。しかし、水との接触を失った場合（例えば、土壌中の空気で満たされた隙間を通って成長する場合）には枝分かれを一時停止し、再び湿った土壌と接続したときにのみ枝分かれを再開します。
私たちのチームは、植物が根の分岐する場所を、土壌中の水分の利用可能性に応じて管理するために、水信号伝達（ハイドロシグナリング）と呼ばれる仕組みを使っていることを発見しました。
水信号伝達（ハイドロシグナリング）とは、植物が水のある場所を感知する方法ですが、土壌水分量を直接測定するのではなく、植物内で水とともに移動する他の可溶性分子を感知することによって行われます。これが可能なのは、（動物細胞とは異なり）植物細胞が互いに小さな孔で連結されているためです。
これらの孔により、水と小さな可溶性分子（ホルモンを含む）が根の細胞と組織の間で一緒に移動できるようになります。植物の根が水を吸収すると、水は最も外側の表皮細胞を通って移動します。
根の外側の細胞には、またオーキシンと呼ばれる、分岐を促進するホルモンも含まれています。水の吸収は、オーキシンを内側の根の組織へと移動させることで分岐を引き起こします。根が空気で満たされた隙間を通って成長する場合など、外部から水が利用できなくなると、根の先端は依然として成長のために水を必要とします。
そのため、根が土壌から水を吸収できない場合、根の内部深くにある自身の維管束からの水に頼らざるを得なくなります。これにより水の移動方向が変わり、外側へ移動するようになるため、分岐ホルモンであるオーキシンの流れが妨げられます。
植物はまた、根の維管束でABAと呼ばれる分岐抑制ホルモンを生成します。ABAもまた水の流れとともに移動しますが、オーキシンとは逆方向に移動します。そのため、根が植物の維管束から水を引き込むとき、分岐抑制ホルモンも自身の方へ引き寄せているのです。
ABAは、根の細胞を結ぶ小さな孔をすべて閉じることで根の分岐を止めます。これは、船の防爆扉のような働きに例えられます。これにより根の細胞同士が遮断され、オーキシンが水とともに自由に移動することを防ぎ、根の分岐を阻害します。この単純な仕組みにより、植物の根は局所的な水分条件に合わせて形状を細かく調整できます。これは「キセロブランチング（乾燥分岐）」と呼ばれており（「ゼロブランチング」と発音されます）。
花の力
私たちの研究では、植物の根も、シュートと同様に水分損失を抑えるために似たような仕組みを使っていることも明らかになりました。葉は水分の損失を防ぐために、干ばつの際には表面にある「気孔」と呼ばれる微細な孔を閉じます。気孔の閉鎖もABAホルモンによって引き起こされます。同様に、根ではABAが、すべての根の細胞を結ぶ「原形質連絡」と呼ばれるナノ孔を閉じることで水分損失を減らします。
トマト、シロイヌナズナ、トウモロコシ、小麦、大麦の根は、異なる土壌や気候で進化してきたにもかかわらず、いずれもこのように水分に反応します。例えば、トマトは南米の砂漠に起源を持ち、一方、シロイヌナズナは中央アジアの温帯地域に由来します。このことは、キセロブランチングが顕花植物に共通する特徴であることを示唆しており、顕花植物はシダ類などの非顕花植物より も2億年以上新しい存在です。
陸上植物の初期に進化したシダ類の根は、この方法で水に反応しません。その根は、より均一に成長します。このことから、顕花植物はシダ類などの初期の陸上植物よりも水ストレスへの適応に優れていることが示唆されます。
顕花植物は、非顕花植物よりも幅広い生態系や環境に生息域を広げることができます。世界各地で降雨パターンが急速に変化していることを考えると、幅広い範囲の土壌水分条件を感知して適応する植物の能力は、これまで以上に重要になっています。
