Greyiaceae グレイア科・Geraniales フウロソウ目

南アフリカの固有科で灌木。Endemic family in South Africa. Small shrub.

シロイヌナズナなどの葉を見ていると葉は葉身、葉柄、托葉だけからできているように見えるが、Greyia radlkiferiを見ると、葉は葉基 leaf baseの制御機構も持っていることがわかる。Greyia radlkiferi has conspicuous leaf base, which we often forget when we observe Arabidopsis.

Greyia属は外側に5本の短い雄蕊、内側に5本の長い雄蕊の合計10本を持つ。 Greyia has 5 short outer stamens and 5 long inner stamens.

Ronse Decraene and Smets (1999)によると、蜜腺原基は雄蕊の外側に生じるが、成長するにつれ雄しべの付け根を覆うように蜜腺と一体となって花托部分が盛り上がる。雄蕊基部周辺の組織は蜜腺ほど大きくならず、蜜腺基部を取り巻き、最終的に雄しべが蜜腺の穴から出ているようになる。Ronse Decraene and Smets (1999)に縦断面の写真があるが、花托組織の表皮と内側の数層の細胞が分裂活性を持って盛り上がっているように見える。蜜腺には師部細胞は形成されるが、茎の維管束と通じることは無い。維管束を形成する器官形成と維管束を形成しない器官形成には大きな違いがあるのだろうか?ユリ科やラフレシア属などで見られる花被上の突出構造との相違点は?Nectary primordia are formed outside of stamen primordia and then connected to growing receptacle tissue, which differentiate to surround the filament base (Ronse Decraene and Smets, 1999). Nectaries of Greyia only form phloem tissue which does not connect to stem vasculature. So far, we do not know genetic regulatory networks for nectary formation, which may be different from those in organ with vasculature differentiation. Are there similarities to protrusions on petals in Liliales and other?

Ronse Decraene, L.-P., & Smets, E. 1999. Similarities in floral ontogeny and anatomy between the genera Francoa (Francoaceae) and Greyia (Greyiaceae). Internat. J. Plant Sci. 160: 377-393.

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Francoaceae フランコア科・Geraniales フウロソウ目

チリの固有科。Endemic family in Chile.

フランコア科の共有派生形質は Synapomorphy of the Francoaceae

1. Short stigma 柱頭は丸く平ら
2. Outer surface of gynoecium is in white 雌蕊外面が白い

大きな蜜腺は雄蕊が大きくなったあとで発生すること、茎の維管束とつながらない師管だけができることから、雄蕊が変化した仮雄蕊ではなく、新たな別な器官であると考えられる(Ronse Decraene and Smets. 1999)。Large nectaries develop after the growth of stamens and only phloem tissue not connected to stem vasculature is formed. These suggest that these structures are not modified stamen, staminodes, but new organs (Ronse Decraene and Smets. 1999).

心皮の表面が白い理由は不明。The reason why Francoa has white ovary surface is unknown.

Ronse Decraene, L.P. and Smets, E.F. 1999. Similarities in floral ontogeny and anatomy between the genera Francoa (Francoaceae) and Greyia (Greyiaceae). Int. J. Plant Sci. 160: 377-393.

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Melianthaceae メリアンテゥス科・Geraniales フウロソウ目

メリアンテゥス科はフウロソウ目に属する。The Melianthaceae belongs to the Geraniales.

Palazzesi, L., Gottschling, M., Barreda, V., and Weigend, M. 2012. First Miocene fossils of Vivianiaceae shed new light on phylogeny, divergence times, and historical biogeography of Geraniales. Biol. J. Linnean Soc. 107: 67-85.

共有派生形質は Synapomorphies are

1. Flowers are resupinate 花は背着性
2. Spirally arranged compound leaves 複葉

Resupinateとは花が開花時に180度回転することで、ラン科などで見られる。Melianthus comosusの花は背着性で花序の先端側から基部側へ花を見ていくと花がねじれてくるのがわかる。背着性を引き起こす分子機構は未解明である。器官を回転させる現象は、葉でも見られるので、一般性のある分子機構があるのかもしれない。When we compare the distal and proximal flowers, we can recognize the resupinate conditions, in which flowers rotate at 180 degree. Resupination is also observed in other taxa including the Orchidaceae. Molecular mechanisms of resupination is unknown. Resupination is observed also in leaves and the mechanism maybe quite general in plant development.

花の上下を転換することで花の媒介昆虫に対する印象と媒介昆虫の背側と腹側のどちらに花粉を付けるかという機能が変わるだろう。同属や同科内で花の配向を変化させることで媒介昆虫を変えて種分化したような種は無いのだろうか。調べてみよう。What is the relationships between resupination and pollinators?

Melianthus comosusは花が上下逆転し、ガク片は5枚(向軸側ガク片1枚、側ガク片2枚、背軸側ガク片2枚)、癒合した花弁が4枚、雄蕊が4本、雌蕊が1本ある。花弁と雄蕊の間に蜜腺があり、黒色の密が花弁とガク片に囲まれた空間に溜まる。The respinated flower of Melianthus comosus with five sepals composed of one adaxial, two lateral, and two abaxial ones, four fused petals, four stamens, and a gynoecium. A conspicuous nectary is formed between the petal and the stamens and produce black-colored nectar.

托葉は発生初期においては葉身原基よりも大きく、自身の葉身原基、あるいは後続の葉原基を保護する機能があると考えられている。葉原基が形成されたあと、托葉、葉柄、葉身がどのような遺伝子ネットワークによって形成されているのかはよくわかっていない。Melianthaceaeは托葉形態に変化がある。Mellianthus comosusは2枚の托葉が葉柄基部に付いている。托葉形態の違いは若い托葉がいつどこで融合するかによって生じていると考えられる。融合は托葉だけではく、植物のいろいろな器官で見られるので、器官融合の仕組みがわかれば植物のいろいろな発生過程が理解できるようになるかもしれない。Stipules of the Melianthaceae varies in thier morphology. Melianthus comosus forms regular two stipules, while those of Melianthus major are marged on the adaxial side of leaves. Genetic networks to regulate the spatial patterns of leaf blade, petiole, and stipules are unknown.

 

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トクサ目の共有派生形質 Synapomorphic characters in Equisetales

5つの共有派生形質のどれも陸上植物の中ではトクサ目に独特である。どうして、トクサ目だけでこのような形質が進化したのだろうか。共通祖先から進化する過程で、何が違うことによって、他の群とこんなに異なる形態を持つようになったのだろうか。

These five apormophic characters in Equisetales are all unique in land plants. What did changes of gene regulatory networks cause such evolution and such different morphology makes us recall a question what is a common body plan in vascular plants or land plants.

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どうして葉の背側が木に張り付くように形成されるのだろう?? Why do leaves of Nepenthes veitchii wind around the tree?

ウリ属の巻きひげtendrilは背側の柔組織の中に硬いリグニン化したゼラチン様繊維stiff, lignified gelatinous fiber (g繊維 g-fiber)ができて、g繊維の背側と腹側での非対称な収縮によってひげが巻きつくのではないかと提唱されている(Gerbode et al. 2012)。一方で、g-繊維の収縮では右巻きと左巻きができる仕組みまで説明できていないとして、Wang (2013)らは、チューブリン分子のキラリティーの違いが微小管の配向に影響を与え、その結果、細胞、組織のレベルで巻が生じると考察している。分子レベルでの形態の違いが器官の形態的変化を生じさせうるという例。Nepenthes veichiiの場合は、ウリ科の巻きひげよりも巻き方が緩やかなので違う機構かも。他のウツボカズラ属の葉の蔓は基物に巻き付くけれども、N. veichiiのように太い基物に張り付くようにではなく、細い枝に巻き付く。巻き方も多様である。

どのように巻き付く木を認識しているのかという点も面白い課題かも。

Mechanisms of tendril winding in the Cucurbitaceae have been studies. Gerbode et al. (2012) showed that asymmetric contortion of stiff, lignified gelatinous fiber formed asymmetrically in the tendril tissue should contribute to the winding. On the other hand, Wang et al. (2013) proposed that the helical angle of cellulose fibrils at the subcellular level induces the change in helical morphology of tendril, indicating that the change of molecular structure causes macro morphological changes at the organ level. The winding of Nepenthes veitchii is more moderate than that of the Cucurbitaceae and also of other Nepenthes species. the mechanisms may be different and the diversity of winding is one interesting topics in plant evodevo.

Gerbode, S. J., Puzey, J. R., McCormick, A. G. & Mahadevan, L. How the cucumber tendril coils and overwinds. Science 337, 1087–1091 (2012).

Jian-Shan Wang, Gang Wang, Xi-Qiao Feng, Takayuki Kitamura, Yi-Lan Kang, Shou-Wen Yu & Qing-Hua Qin. Hierarchical chirality transfer in the growth of Towel Gourd tendrils. Scientific Rep. 3102 (2013).

 

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心皮の多様性 Diversity of carpels

 

被子植物の心皮形態は、下記の3タイプに分けることができる。

二つ折り心皮:心皮原基の内側と外側の境界は原基向軸側基部から先端までスリット状に形成され、伸長し、後天的合着をする。(e.g. e.g. ほとんどの被子植物)

嚢状心皮:心皮原基の内側と外側の境界は原基上部に形成され、原基向軸側の壁は先天的合着によって形成される。(e. g. アンボレラ目、スイレン目、アウストロベイレア目のほとんど、センリョウ目、ユーポマティア属、モニミア科のMollinedioideae亜科、ハス、メギ科)

中間型心皮:二つ折り心皮と嚢状心皮のいろいろな中間段階のもの(e.g.シキミ属、ニクヅク科、ロウバイ科を除いたクスノキ目、ショウブ、フサザクラ)。

中間型心皮は従来peltate carpel盾状心皮と呼ばれてきた。従来、嚢状葉は盾状葉から進化してきたと考えられており、嚢状形態と盾状形態が近い形態ではないかと考えられてきたこともあると思われる。しかし、我々がムラサキヘイシソウ Sarracenia purpureaの嚢状葉の発生過程を調べると嚢状葉発生過程とは大きくことなっていた(Fukushima et al. 未発表)。心皮が葉と同じかわからないが、嚢状と二つ折りの中間型を盾状と呼ぶのは間違っているかもしれないので、ここではより直接的に中間型心皮と呼んだ。しかし、外部形態的に嚢状と二つ折りの中間であるが、本当に中間的形態なのか、あるいはまったく違う形態なのかは調べられておらず、細胞レベルでどのように発生が進むかの研究が必要である。

被子植物の雌しべが、祖先植物のどんな器官がどのように変化して進化したかは未だに未解決の問題である。現生被子植物の心皮で、嚢状心皮と二つ折り心皮のどちらが祖先的かについては議論があった(Soltis et al. 2005. 76ページ)。例えば、Bailey and Swamy (1951)は導管が無く、当時、被子植物の基部に位置するのではないかと推定されていたDegeneriaの心皮が二つ折りであることから、二つ折り心皮が祖先的で嚢状心皮が派生的だと考えた。しかし、遺伝子系統解析の結果、基部被子植物の多くが嚢状心皮を持つことから、嚢状心皮が祖先的であることがわかった(Doyle and Endress 2000)。

今後、嚢状心皮どのような発生機構によって生じるのかがわかると、嚢状心皮がどのように進化したのか、心皮がどのような器官がどうかわることによって進化したのかについて議論できるようになると思う。また、心皮形態を司る発生機構が葉形成に流用されて、食虫植物の捕虫葉形成などに関わった可能性もある。さらに、多様な心皮形態を産み出す機構と多様な葉形態を産み出す機構の間には類似点があるかもしれない。

Three types of carpels as follows(Endress 1994)。Plicate carpel: the transition between inner and outer primary surface has the form of a slit from the base to the top of the carpel in its ventral side and the slit is postgenitally closed (e.g. most angiosperms).

Ascidiate carpel: The transition between inner and outer primary surface is restricted to the top of the carpel and its wall is congenitally closed throughout (e.g. Amborella, Nymphaeales, most of Austrobaileyales, Chloranthales,  Eupomatia, Mollinedioideae [Monimiaceae], Nelumbo, Berberidaceae). Intermediate carpel: Intermediate between plicate and ascidiate carpels (e.g. IIllicium, Myristicaceae, most of Laurales except Calycanthaceae, Acorus, Euptelea).

There were long debates on the ancestral type of carpels (Soltis et al. 2005. 76 page). For example, as a strong hypothesis, Bailey and Swamy (1951) proposed that plicate carpels are ancestral and other types including ascidiate ones are derived. Recent molecular phylogeny showed that ascidiate carpels are ancestral (Doyle and Endress 2000). Developmental studies at the cellular level are necessary to understand the evolution of ascidiate, intermediate, and plicate carpels. Also comparison between ascidiate leaves and carpels may give some insight on their evolution.

Bailey, I.W. and Swamy, B.G.L. 1951. The conduplicate carpel of dicotyledons and its initial trends of specialization. Amer. J. Bot. 38: 373-179.

Doyle, J.A. and Endress, P.K. 2000. Morphological phylogenetic analysis of basal angiosperms: comparison and combination with molecular data. Int. J. Plant Sci. 161: S121-S153.

Endress 1994 Diversity and evolutionary biology of tropical flowers. Cambridge Univ. Press.

Soltis, D.E., Soltis, P.S., Endress, P.K., and Chase, M.K. Phylogeny and Evolution of Angiosperms. Sinauer.

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リポゴナム属の葉序 Phyllotaxis of Ripogonum

 

Ripogonum brevifoliumの葉序を出発点に葉序の可塑性について考えてみる。

Ripogonaceaeリポゴナム科は単子葉植物ユリ目に含まれる。同科の共有派生形質は(1)蔓性で棘があること、(2)対生葉序を持つこと、である。しかし、Ripogonum brevifoliumは対生だけでなく、互生、対生、3輪生の3タイプの葉序を付ける。3輪生になる場合にも拡大図のようにきちんと3輪生になる場合(左)と1つの葉がずれる場合(右)がある。徒長枝は鱗片葉だけを3輪生に形成する。なんとも変幻自在に葉序や葉型が変化している。ヤマイモも互生と対生の両方の葉序を不規則に付ける。蔓植物だからといってきちんとした葉序のものもあるが、蔓植物は茎の伸長量が蔓でない植物に加えて大きいので、同調的に葉原基を作るのが難しいのかもしれないので、このような不規則な葉序が蔓植物には出現しやすい傾向にあるかもしれない。また、花序をつける枝では互生になるので生殖成長と関係があるのかもしれない。

The Ripogonaceae belongs to Lilliales in monocots. Opposite phyllotaxis is a synapormophic character of the Ripogonaceae. Phyllotaxis of Ripogonum brevifolium varies in alternate, opposite, and sometimes verticillate. Why they are so diverged? Dioscorea species also form both alternate and opposite phyllotaxis in a plant. Is it related to their vine nature with relative high stem growth rate?

 

 

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