高校生物 分裂組織と器官分化—茎頂と根端から植物の体が作られる過程を読む｜武蔵野個別指導塾

根の各領域で目立つ分裂・伸長・分化を比べ、印の間隔から区間の伸びを求めます。

よくあるのは、根の先端でできた細胞は分裂するだけで分化しない、と考える場面です。顕微鏡の視野に小さな細胞が並んでいると、根全体が同じ状態に見えるかもしれません。しかし、根の先端から離れた位置には、伸びた細胞や根毛をつくる細胞もあります。どの場所で何が目立つかを押さえると、細胞の供給から根の構造ができるまでをつなげて読めます。

まず何を比べるか

問題には、根端の縦断面を見て領域を特定する型があります。このときは根の先端と根元の方向を先に確かめ、根冠、分裂の盛んな領域、伸長の目立つ領域、分化の目立つ領域の位置を追います。図が逆向きなら、紙の上や下という言葉だけでは答えを決められません。

別の型では、印を付けた位置の間隔が時間とともに変わる資料を読みます。間隔の増加はその区間の伸びを表しますが、それだけで個々の細胞の分裂回数や、細胞がどの種類に分化したかは決まりません。観察対象と測った量を明記し、必要なら細胞数や形も別に調べます。

茎頂と根端を比べる型では、どちらも細胞を供給する分裂組織をもちながら、できる器官や根冠の有無が異なる点が問われます。茎頂の周囲には葉の原基が生じ、根端には先端を保護する根冠があります。分裂組織の名前だけ覚え、周囲に何ができるかを見落とさないようにします。

先端から続く細胞の道筋

分裂組織は、細胞分裂によって新しい細胞を供給する組織です。茎の先端にある茎頂分裂組織と、根の先端付近にある根端分裂組織は、植物の体が長さを増すときの出発点です。分裂組織が維持されながら、そこから生じた細胞の一部が成長し、それぞれの位置に応じた組織へ分化します。細胞を供給することと、供給された細胞が同じ場所で永遠に分裂を続けることは別です。

図1のように、根端では根冠に近い側に分裂の盛んな領域があり、その根元側で伸長や分化が目立ちます。これは学習のために領域を分けた模式図です。境界がいつも明瞭な線で引けるという意味ではなく、分裂・伸長・分化が互いに完全に排他的な現象であるとも限りません。根冠は分裂組織そのものではなく、伸びていく根の先端を保護します。

図1で根毛は根元側に示しています。根毛は根の表皮細胞の一部が突き出したもので、表面積を増やし、水や無機塩類の吸収に役立ちます。根毛という形が見えることは、その細胞に分化が起きた手がかりです。一方、根毛が見えないことだけで、観察範囲の細胞がすべて分裂中だと決めることはできません。切片の向きや、観察した位置によっても見え方が変わるからです。

分裂は細胞数を増やす過程です。伸長は個々の細胞が長さを増す過程で、根の長さの増加にも寄与します。分化は細胞が構造や働きの異なる状態になる過程です。根毛をもつ表皮細胞や、水の通り道をつくる細胞は、同じ根の中でも形と働きが異なります。細胞の数、長さ、形や働きは別の観察項目なので、1つのデータだけから3つとも決めないことが重要です。

茎頂では、分裂組織の周辺に葉の原基ができます。原基は器官のもとになる初期の構造で、完成した葉と同じ大きさや形ではありません。茎頂で細胞が供給され、原基の成長や細胞の分化を経て葉や茎の組織が形成されます。根と茎の両方に分裂組織があっても、その周囲で形成される構造を同一視しないでください。

同じ植物の細胞でも、場所や発生の経過に応じて発現する遺伝子が異なり、異なる構造や働きを示します。分化は細胞が違う種類の遺伝子を手に入れたことを意味しません。ここでは光に対する反応や成長を調節する物質の総論には広げず、先端の細胞供給と組織形成の関係に焦点を当てます。

基本例題：根の縦断面を読む

次は自作の模式資料です。根の先端を下、根元を上にした縦断面で、根冠のすぐ根元側の領域をA、その根元側をB、さらに根元側をCとします。Aでは小さな細胞が多く、分裂中の像が多く見られます。Bでは細胞が縦に長く、Cでは根毛が観察されます。A、B、Cで目立つ過程をそれぞれ答え、根毛があることからCで何がわかるかを40字程度で説明してください。

図2のように、まず先端の位置を固定して資料の特徴を拾います。Aの根冠に近い位置と分裂像は、分裂が盛んな領域を示します。Bの縦長の細胞は伸長が目立つ手がかりです。Cの根毛は表皮細胞が特徴的な形に分化した証拠です。

答えはAが分裂、Bが伸長、Cが分化です。説明例は「根毛をつくる表皮細胞があり、細胞の分化が起きたとわかります」です。Aにも分裂していない細胞はありえます。Bにあるすべての細胞の分裂が絶対に止まったと、この資料から断定する必要もありません。

別の読み方では、Cから根冠へ向かって逆にたどります。根毛のあるCを分化の手がかりとし、その先端側の長い細胞をB、さらに根冠に近い分裂像の多い部分をAと照合します。逆向きにも対応が一致すれば、図の向きを取り違えた可能性を減らせます。ただし、観察像の多さはその時点の割合であり、個々の細胞を追跡した記録ではありません。

標準例題：印の間隔から伸びを求める

自作条件として、まっすぐな幼根に先端から根元へ向かって等間隔に印P、Q、R、Sを付けます。開始時の隣り合う印の間隔は各2 mmです。一定時間後、PQは2 mm、QRは5 mm、RSは3 mmでした。印は根の表面に残り、測定中にずれなかったとします。各区間の伸びをmmで求め、最も伸びた区間と、その資料だけでは判断できない細胞の変化を1つ答えてください。

区間の伸びは、終了時の間隔から開始時の間隔を引きます。負の値が出た場合も勝手に0にせず、測定値と条件を見直します。今回の計算は次のとおりです。

PQの伸び = 2 - 2 = 0 mm
QRの伸び = 5 - 2 = 3 mm
RSの伸び = 3 - 2 = 1 mm

最も伸びたのはQRです。各区間の伸びを開始時の2 mmに戻して加えると、終了時の2 mm、5 mm、3 mmにそれぞれ戻ります。全区間でも開始時の6 mmに伸びの合計4 mmを加えると10 mmで、終了時の間隔の合計と一致します。

この結果はQRで測った区間の伸びが最も大きいことを示します。細胞の数や各細胞の長さを測っていないため、伸びに対する細胞分裂と個々の細胞の伸長の寄与を数値で分けることはできません。印をつけた区間が根端のどの領域に相当するかも、先端からの位置を合わせた観察が必要です。伸びの大きさと分裂像の数を同じ意味に置き換えることはできません。

別解として、終了時の間隔から開始時の共通の2 mmを比べます。開始時が等しいので、終了時の間隔が最大のQRは増加量も最大です。ただし、開始時の間隔が異なる資料では終了時の長さだけで増加量を比べられません。比率を比べる問題なら、増加量ではなく開始時を分母にした値を計算します。

発展例題：操作と対照を分けて考える

自作の観察計画です。同じ種類で似た大きさの幼根を複数用意し、操作群では根端の分裂組織を含む先端部分を取り除きます。対照群には同じ時間、同じ環境で扱い、取り除く操作をしません。各根について開始時と一定時間後に長さを測り、別の個体の縦断面で根毛や細胞の形を観察します。操作群では平均の伸びが対照群より小さく、断面には処置前に形成された根毛が残っていました。この結果から言えることと、言えないことを、それぞれ50字程度で述べてください。

答えの例は「先端部分の除去は、その条件での根の伸びの低下と対応します」です。言えないことの例は「根毛が残ったことから、除去後にも新しい根毛が形成されたとは決められません」です。根毛の存在だけでは形成された時期が区別できないからです。開始前から同じ細胞を追跡するか、新しくできた領域を時系列で観察すれば、その問いに近づけます。

操作で除いた範囲には分裂組織以外の部分も含まれます。したがって、この比較だけで分裂組織の特定の細胞だけが伸びの低下を引き起こしたと断定できません。切断による傷や他の影響も候補です。操作を伴う対照を設けるなどして影響を検討し、観察可能な範囲で結論を絞ります。操作を実施するときは学校の指導の下で行います。

複数の根を用いる理由は、個体ごとの伸びにばらつきがあるからです。平均値だけでなく各個体の値も見れば、1本の極端な値が平均を動かした場合に気づけます。群の個体数、開始時の大きさ、測定時間、環境、測る位置をそろえ、測定者が区間を読み違えないように記録します。印の太さや根の曲がりは長さの誤差になり、見かけの差が小さい場合には特に判断を難しくします。

縦軸を根の長さ、横軸を経過時間としてグラフを描けば、線の高さはその時点の長さ、傾きは単位時間あたりの平均の伸びを示します。開始時の長さが異なる2本の線では、線の高さの差をそのまま伸びの差とは読めません。同じ時間幅で前後の長さの差を取るか、開始時からの増加量を縦軸にすれば比較しやすくなります。途中の測定点がない区間の細かな変化は、直線で結んでも確定しません。

誤答を直す：先端で生まれた後を描く

誤答の例は「根端でできた細胞は分裂を繰り返すだけなので、根毛は別の場所から移動してきます」です。原因は、細胞が生まれる場所と、その細胞が後に示す状態を同じものとして扱ったことにあります。根の成長に伴い、分裂組織から供給された細胞は位置関係を変えながら伸長し、分化していきます。植物の細胞は細胞壁をもつため、動物の発生の細胞移動をそのまま当てはめて説明するのは適切ではありません。

図3のように、分裂から伸長、分化へという道筋を加えると、根毛の由来を説明できます。ただし矢印は細胞の経過を単純化したものです。すべての細胞が根毛になることを示す矢印ではありません。根冠へ供給される細胞もあるため、根元側への経過だけを根端の全細胞に当てはめないようにします。

別の誤答は「長い細胞があるので、その場所で分裂が最も盛んです」です。長さが示すのは形の特徴であり、分裂の盛んさを知るには分裂像や細胞数の変化などが必要です。逆に分裂像が観察されなくても、1回の観察で絶対に分裂しないと決めることはできません。観察時点が限られるためです。

練習問題

以下の条件や数値は学習用に作ったものです。各問は独立しています。記述は指定した語を使って、目安の長さで答えてください。

1. 根の先端を保護する構造の名前を答え、そのすぐ根元側にある分裂の盛んな組織を答えてください。
2. 根の表皮細胞に突起が生じた像を見ました。この突起の名前と、この像が示す細胞の変化をそれぞれ答えてください。
3. 同じ幼根の隣り合う区間X、Yの開始時の長さは各3 mmです。終了時にはXが4 mm、Yが7 mmでした。両区間の伸びをmmで求め、開始時からの増加量の合計を答えてください。
4. 茎の先端付近で分裂組織の側方に小さな突起が見られ、後に葉の形になりました。この初期構造の名前を答え、「原基」「分化」を使って40字程度で説明してください。
5. 操作群と対照群の根の伸びを比べるとき、開始時の大きさと測定時間をそろえる理由を「差」「条件」を使い50字程度で述べてください。また、平均が異なるだけで因果を断定しにくい理由を1つ挙げてください。

練習の答えと考え方

1. 根冠と根端分裂組織です。根冠は先端を保護し、その根元側の分裂組織から細胞が供給されます。先端から根元へ見る順序を図に戻して確認します。
2. 根毛と分化です。根毛は表皮細胞の一部が突き出した構造で、その形から細胞が特徴をもつようになったことが読み取れます。根毛の存在だけから、ほかの細胞が分裂中かどうかは決まりません。
3. Xは1 mm、Yは4 mm、合計5 mmです。3 mmにそれぞれ1 mmと4 mmを加えると、与えられた4 mmと7 mmに戻ります。全体でも開始時の6 mmに5 mmを加えた11 mmは、終了時の合計と一致します。
4. 葉の原基です。「葉の原基が成長し、細胞の分化を伴って葉が形成されます」が説明例です。初期の突起と完成した葉を区別し、茎頂の周囲という位置も確認します。
5. 「操作以外の条件による伸びの差を小さくし、操作との関係を調べやすくするためです」が説明例です。因果を断定しにくい理由には、個体のばらつきや、操作に伴う傷など別の影響が残る可能性があります。対照を置いても、測定誤差が消えるとは限りません。

手元に残す要点

• 茎頂と根端の分裂組織は、新しい細胞を供給します。
• 根端では根冠の根元側に分裂の盛んな領域があります。
• 分裂は数、伸長は長さ、分化は構造や働きの変化です。
• 根毛は分化した表皮細胞の一部で、吸収に役立ちます。
• 伸びの資料は、測った区間と時間をそろえて読みます。

答案のどこで止まるか

図の向きを取り違える場合は、まず根冠に印を付け、根元に向かって各領域を指でたどります。用語は合っていても理由が書けない場合は、観察された形と結論の間に「何が測られたか」を一言入れます。個別指導で答案を見るときも、分裂像から分裂を、根毛から分化を判断した箇所をたどれば、どこで根拠が飛んだかを確かめられます。植物の成長は、供給された細胞のその後まで追うと見えてきます。