高校生物 サイトカイニンと頂芽優勢—切除と添加の対照から芽の成長を調節する条件を読む｜武蔵野個別指導塾

頂芽を切り取る操作とホルモン添加を比べ、培地の濃度比だけで器官形成を決められない理由を考察します。

よくあるのは、培地中の2種類の植物ホルモンの濃度比が同じなら、どの濃度でも必ず同じ器官ができると考える場面です。比は比較の手がかりですが、個々の濃度も変われば、比以外の条件まで同じとはいえません。芽を切り取った植物の資料でも、操作によって何が変わり、何が変わらなかったかを分けて読む必要があります。側芽の伸長と培養組織での器官形成を、それぞれの条件に戻して考えましょう。

要点（結論から）

• 頂芽優勢は、頂芽の存在下で側芽の成長が抑えられる現象です。
• 切除と添加は、それぞれ対応する対照区と比較します。
• サイトカイニンとオーキシンの作用は、器官や条件と一緒に読みます。

どんな判断を求められるか

第1の型は、頂芽の切除と物質の添加を組み合わせ、側芽が伸びる条件を比べるものです。切除すると側芽が伸びたとしても、切除に伴って変化した要素は複数ありえます。頂芽を残した区、切除した区、切除面に物質を与えた区を比べ、何が結果に関係するかを絞ります。

第2の型は、培地のサイトカイニンとオーキシンの濃度を表やグラフで比較するものです。分子と分母の向きを固定して比を計算し、同じ比で絶対濃度の異なる区も探します。得られた結果をその資料の材料や条件を超えて広げないことが、結論の精度を上げます。

第3の型は、ある結論を支える対照や、別の説明を退ける追加条件を設計するものです。処理の有無以外に、溶媒、植物の状態、観察時間などが異なれば、結果の差の原因を一つに絞れません。結果が予想と違った場合や、観察自体が成立しなかった場合も、区別して考えます。

芽とホルモンを対応させる

茎の先端にある頂芽は伸長する主軸の先端の芽です。葉の付け根には側芽があり、成長すると側枝になります。頂芽が存在すると側芽の成長が抑えられ、頂芽を除くと側芽が伸びやすくなる現象を頂芽優勢といいます。側芽が存在しないという意味ではなく、成長が抑えられている状態です。

サイトカイニンは細胞分裂を促す植物ホルモンとして知られ、側芽の成長を促す働きにも関係します。一方、頂芽などでつくられるオーキシンは、頂芽優勢の維持に関係します。図1のように、側芽について両者の作用を区別します。ただし矢印は観察される作用の方向を示す整理であり、頂芽のオーキシンが必ず側芽に直接作用するという図ではありません。

図1では実線の矢印を成長を促す方向、線の先の横棒を成長を抑える方向として表しました。植物全体では、物質の移動や他の調節も関係します。切除後に側芽が伸びたという結果は、頂芽が抑制に関わることを支持しますが、その結果だけから途中の仕組みをすべて特定することはできません。

組織培養では、植物の組織を栄養分などを含む培地で育て、細胞の増殖や器官形成を調べます。未分化な細胞の集まりをカルスと呼びます。教科書では、条件によってオーキシンに対するサイトカイニンの割合が高いと芽の形成、低いと根の形成が促される例を扱います。ただし、これは各濃度、組織の種類や発達段階、培養条件などと切り離せない傾向です。比が同じでも両方の量が極端に違えば、同じ結果が保証されるわけではありません。

また、培地に加えた濃度は組織内の実際の濃度そのものではありません。植物自身がもつホルモンや取り込みの違いもありえます。問題に与えられた数値が培地の濃度なら、答案でも培地の濃度として扱います。比を使う際、サイトカイニン濃度をC、オーキシン濃度をAとすると、C/Aは「オーキシンに対するサイトカイニンの比」です。Aが0ならこの比は定義できません。0で割って特別に大きい数と見なしてはいけません。

基本例題：切除と添加を比べる

同じ種類、発達段階の植物を同じ光条件で育て、同じ位置の側芽を観察しました。次の値はこの問題のために作った側芽の伸長量の平均です。処理後の一定期間について、mmを単位とします。切除面に与える材料は共通の担体を用い、各区の個体数は同じとします。

問1：頂芽を除く操作と、切除面へのオーキシン添加のそれぞれに対応する比較を示し、結果を各40字程度で述べてください。問2：Qを基準としたRの伸長量の減少率を百分率で計算し、小数第1位を四捨五入して整数で示してください。

図2の横軸は区、縦軸は側芽の伸長量です。まずPとQを比べます。頂芽を除いたQの平均は8 mmで、残したPの2 mmより6 mm大きいので、切除により側芽の成長が増えたと読めます。ただしPは切除面を持たないため、切除そのものに伴う別の影響は残ります。

次にQとRを比べます。どちらも頂芽を除き担体を与えていますが、Rにはオーキシンが含まれます。Rの3 mmはQの8 mmより小さく、この条件で添加は側芽の成長を抑える方向に働いたといえます。RとPが完全に一致しなくても、添加で抑制が部分的に戻る結果です。Rの値だけから、植物自身によるオーキシンの産生が回復したとはいえません。

減少量は8 − 3 = 5 mmです。もとのQの値を基準にするので、減少率は(5)/(8)・100 = 62.5%です。整数に四捨五入すると63%です。丸める前の62.5%を8 mmに掛けると5 mmとなり、8 mmから差し引くとRの3 mmに戻ります。割合は有効数字を指定した測定の精度ではなく、問題で指定した整数への丸めです。

別の整理では、各区を「頂芽の有無」と「添加物」の2列に分け、1条件の違う組を探します。QとRは添加物のみ異なります。PとRは頂芽と添加物が同時に異なるため、添加の効果を単独で取り出す比較には使えません。図の棒の高低を読むだけでなく、棒の下に対応する処理を書いておくと、比較の理由が残ります。

標準例題：濃度比と濃度そのもの

同一の組織と培養期間、光条件を用い、培地に加えたサイトカイニン濃度Cとオーキシン濃度Aを変えました。濃度の単位はどちらも問題内で共通の任意単位です。表の結果と数値は自作の条件で、実在の植物の測定値ではありません。各区では示した器官が多く形成されたものとします。

問：各区のC/Aを整数または分数で求め、同じ比なら必ず同じ器官が形成されるという主張を、この表に基づき反証してください。また、SとUの比較だけで比が原因と断定できるか、理由を40字程度で述べてください。

Sは(2)/(1) = 2、Tは(8)/(4) = 2、Uは(1)/(2)、Vは(4)/(2) = 2です。SとTは比が同じ2ですが、結果は芽と根に異なります。したがって、この表を受け入れる限り、同じ比なら必ず同じ結果になるという主張は成り立ちません。計算を戻すと、Sは2・1 = 2、Tは2・4 = 8で、いずれも表のCに一致します。

SとUでは比だけでなくCとAの絶対濃度も変わっています。したがって、結果の差を比だけの効果として取り出すことはできません。SとVは同じ結果ですが、それだけで比が結果を決めた証拠にはなりません。SとTが示すように、同じ比で異なる結果があるからです。

表の全行をC/Aごとに並べ替える方法もあります。比2には芽、根、芽の3結果が入り、比(1)/(2)には根が入ります。この整理は「必ず」という主張に対する反例を探すのに向いています。一方、比の異なる区で結果が同じであっても、比が何の影響も持たないという証明にはなりません。絶対濃度や組織内の状態を含め、複数の条件が作用する可能性が残るためです。

発展例題：原因を絞る区を設計する

頂芽を除いた植物の側芽に、サイトカイニンを含む液を与えた区Wと、何も与えない区Xを比べたところ、Wの側芽が長く伸びました。Wには溶媒も含まれていました。両区とも同じ種類の植物を同じ照明で一定期間育てました。材料数は同じですが、初めの側芽の大きさは記録されていません。

問：この結果だけでサイトカイニンの効果と断定しにくい理由を2つ挙げ、追加する対照と測定の改善をそれぞれ説明してください。記述は合わせて100字程度を目安とします。

WとXではサイトカイニンの有無だけでなく溶媒を与えたかどうかも異なります。したがって、溶媒のみを同じ方法で与える区を設け、サイトカイニン入りの区と比較します。さらに、初めの側芽の大きさが違えば、最後の長さの差が処理前から存在した可能性があります。処理前後を測り、伸長量を各側芽について求めて比較します。植物の発達段階や側芽の位置もそろえ、複数個体のばらつきを見ることが必要です。

処理区と対照区が同程度に伸びた場合は、指定された条件では添加による差が検出されなかったと記述します。サイトカイニンにどの条件でも作用がないとは結論できません。個体差が大きい場合は平均だけでなく各個体の値を確認し、標本のばらつきと測定の精度を検討します。処理が届かなかった場合や材料が傷んだ場合は、予想と逆の生物学的な反応と決めず、操作や材料の状態を確認します。観察期間中に記録が欠ければ、欠けた値を0として平均に入れず、欠測として扱います。

グラフにするなら横軸に処理区、縦軸に処理前からの伸長量と単位を置きます。縦軸を途中から始めると小さな差が大きく見えることがあるので、目盛りを確認します。棒の高さが平均であれば、個体すべてがその値だったわけではありません。対照との差とばらつきを両方見て、結論をその条件の範囲に留めます。実際の観察や培養は学校の指導の下で行います。

誤答から判断を直す

誤答1は「頂芽を除くと側芽が伸びたので、頂芽は側芽に栄養を送っていた」です。結果は頂芽の存在が側芽の成長を抑える状態に関係することを示しますが、栄養の移動だけを示すものではありません。切除面への添加を含めた対照を見て、観察と推論を分けます。

誤答2は「切除面にオーキシンを与えて抑制が戻ったので、頂芽での産生も戻った」です。外から与えたことと植物自身の産生は別です。図3のように、添加の結果が示す範囲と、その先に残る問いを分けます。産生を論じるには、それを直接調べる別の資料が必要です。

誤答3は「C/Aが同じなので、CとAも同じ」です。比は両方を同じ倍率で増減しても変わりません。C/Aだけをメモするのではなく、CとAの値をそれぞれ残します。片方が0の区では、割り算が可能かどうかを先に確認します。図3の境界は、測っていない事柄を結果に書き足さないための目印です。

練習：条件を見てから答える

以下の数値と結果はすべて問題用に作ったものです。培地の濃度はCとAで共通の任意単位です。

1. 頂芽を残した区の側芽伸長量は4 mm、除いた区は10 mmでした。頂芽の切除と側芽の伸長の関係を40字程度で述べてください。
2. 切除した植物に担体のみを与えると側芽は12 mm、同じ担体にオーキシンを加えると9 mm伸びました。担体のみの区を基準とする減少率を整数の百分率で求めてください。
3. 培地区YはCが3、Aが6、区ZはCが6、Aが12です。それぞれのC/Aを分数で求め、同じ比から結果を断定できるか30字程度で述べてください。
4. Cが5、Aが0の培地区について、C/Aを計算できるか答え、理由を20字程度で述べてください。
5. 同じ発達段階の組織で、培地のCのみを変えた2区を比べたいとします。Aの濃度と培養期間をどう扱うか、理由とともに40字程度で述べてください。

練習の答えと道筋

1. 「この条件では頂芽を除いた区の側芽は、残した区より6 mm長く伸びた」です。10 − 4 = 6 mmです。除いた区を4 + 6 = 10 mmと戻して確かめます。切除以外の差がない設計を確認できれば、頂芽が抑制に関わるという推論を支持します。
2. 減少量は12 − 9 = 3 mm、減少率は(3)/(12)・100 = 25%です。12 mmの25%は3 mmなので、残りは9 mmに戻ります。9 mmを分母にすると、求められた基準とは異なります。
3. Yは(3)/(6) = (1)/(2)、Zは(6)/(12) = (1)/(2)です。両方ともAの半分がCであり、元の濃度に戻ります。比が同じでも絶対濃度が異なるので、結果は比だけから断定できません。結果の観察が必要です。
4. 計算できません。分母のAが0であり、0による除算は定義されないからです。Cが正であることは、この結論を変えません。
5. Aの濃度と培養期間を両区でそろえます。C以外の条件も変えると、結果の差がどの条件に対応するか絞りにくいためです。溶媒や組織の由来などもそろえ、複数の材料で差を調べます。

要点を手元に残す

• 頂芽優勢は、頂芽の存在下で側芽の成長が抑えられる現象です。
• 切除と添加は、それぞれ対応する対照区と比較します。
• サイトカイニンとオーキシンの作用は、器官や条件と一緒に読みます。
• 培地の濃度比と各物質の絶対濃度を分け、0を分母にしません。
• 観察が支持する範囲と、まだ残る説明を区別します。

答案のどこを見るか

側芽が伸びた理由を説明できないときは、まず図に頂芽と側芽を描き、どちらを切除したか、何を測定したかを書き込みます。個別指導では、切除区と添加区を指しながら、比較する2区の共通点と相違点を本人の言葉で確認します。比の問題でつまずく場合は、分母を何に置いたかと、元の濃度に掛け戻せるかを答案で調べます。対照区が欠けているときには、結果が変わらなかった場合にも何が言えるかを考え、結論の範囲を整えます。芽の変化は、処理条件と並べて読むことで説明の輪郭が見えてきます。