自然科学研究機構 基礎生物学研究所

食虫植物は葉で小動物を誘引、捕獲、消化、吸収し、栄養としています。ハエトリソウはアメリカ合衆国のノースカロライナ州とサウスカロライナ州だけに分布する食虫植物です。二つ折りになった葉の上に毛（感覚毛）が生えており（図１）、1回触っただけでは閉じませんが、30秒以内にもう1回触ると、約0.3秒で閉じ、小動物を挟み込んで食べてしまいます（図１）。このことは、最初の刺激を30秒間記憶していることを示しています。脳も神経も無い植物が記憶することから、その仕組みは広く興味が持たれ、多くの研究者が研究を行ってきました。そして、1988年にドイツのホディックとシーバースは、カルシウムイオン濃度変化が関与しているのではないかという仮説を提唱しました（図２）。しかし、ハエトリソウでカルシウムイオン濃度を細胞にダメージを与えずに測定する方法が無く、真偽が不明でした。基礎生物学研究所の須田すだ啓ひらく大学院生、真野弘明まのひろあき特任助教、玉田洋介たまだようすけ助教（現宇都宮大学）、長谷部はせべ光泰みつやす教授らを中心とした研究グループは、ハエトリソウへの遺伝子導入技術（外来遺伝子を生物に導入する技術）を確立し、カルシウムイオンと結合して緑色蛍光を発するタンパク質の遺伝子をハエトリソウに導入しました。そして、細胞内カルシウムイオン濃度変化を可視化することに成功しました。その結果、1回目の刺激で細胞内カルシウムイオン濃度が上昇し、2回目の刺激で1回目の細胞内カルシウムイオン濃度に上乗せして、さらにカルシウムイオン濃度が上昇、閾値（限界値）を超えることで葉が閉じることを発見しました（図３）。一方、1回目の刺激で上昇した細胞内カルシウムイオン濃度は、時間とともに減少し（図3）、ホディックとシーバースの仮説のように（図2）、約30秒を超えると、2回目の刺激を与えても、細胞内カルシウムイオン濃度が閾値を超えないために、葉が閉じないことがわかりました。この観察結果から、ハエトリソウの記憶はカルシウムイオン濃度変化によって説明できることがわかりました。

今後は、接触刺激がどのような仕組みでカルシウムイオン濃度を変化させるか、変化したカルシウムイオン濃度がどのように運動を引き起こすか、そして、ハエトリソウの速い運動が普通の植物の何を変えることで進化できたのかを解明することが課題です。そして、将来的には、動かない普通の植物を動くようにできるかもしれません。

この成果は英国時間2020年10月5日付でNature Plants誌に掲載されます。

図１　ハエトリソウの自生（左）と捕虫（中、右）。葉の表側にある感覚毛（中）を2回刺激すると葉が閉じる（右）。閉じた葉（右）はコオロギを捕獲している。


図２　ホディックとシーバース（1988)の仮説の模式図
 

図３　ハエトリソウの葉のカルシウムイオン濃度変化を可視化した写真。カルシウムイオン濃度が上がると赤色が濃くなり、さらに濃くなると黄色になる。図中のsは秒を現す。


動画では、カルシウムイオンの蛍光を緑で示してあります。カルシウムイオン濃度が上がると緑色が濃くなります。