高校生物 植物の成長とホルモン—器官の変化と成長調節の条件を対応させる｜武蔵野個別指導塾

重複受精後に胚や胚乳へ至る道筋と茎・根の伸長量を照らし、ホルモンの作用を器官や濃度の条件に結び付けます。

よくあるのは、茎と根に同じ濃度のオーキシンが同じ作用をすると考え、両方が同じ向きに曲がると答える場面です。ホルモンの名前を覚えていても、作用を受ける器官や濃度を見落とすと、図の矢印と説明が合いません。学校の範囲表と授業ノートで、扱う器官と実験条件を先に確かめましょう。学習指導要領の生物の内容には、生物の環境応答が含まれます。

問題の形を見分ける

植物の成長では、まず受精後の細胞が何になるかをたどる問題があります。花粉管から運ばれた2個の精細胞について、合体相手と受精後の行き先を分けます。胚と胚乳を一緒にすると、種子の中の組織の説明が混ざります。

次に、ホルモン名と作用を結び付ける問題があります。ただし「成長を促す」という言葉をどの器官にも当てはめてはいけません。濃度による反応の違いを資料から拾う必要があります。最後に、片側からの光や重力に対する屈性の実験があります。左右の伸びの差と曲がる向きを結び、処理した部分と対照を比べることが中心です。

条件が異なる資料を比べるときは、何を変えて何をそろえたかを先に書き出しましょう。資料に数字がある場合は、実験で与えられた値として読みます。実際の植物の共通の測定値とは限りません。以下の数値と実験は、関係を考えるために作った条件です。

受精から器官、調節物質へ

被子植物の花粉の中では雄性配偶子になる精細胞が形成されます。胚珠の胚のうには卵細胞と中央細胞があり、中央細胞には2個の極核があります。花粉管が胚のうに達すると、2個の精細胞がそれぞれ別の相手と合体します。精細胞と卵細胞の受精卵は胚へ、もう1個の精細胞と2個の極核が合体した細胞は胚乳へ発達します。この2組の合体を重複受精といいます。

胚は将来の根や茎、子葉につながる部分を持ちます。胚乳は胚の成長に使われる養分を蓄える組織です。胚珠は種子になり、子房は果実へ発達します。種類によって成熟した種子に胚乳が残るかは異なります。受精直後の行き先と成熟後の見え方を区別しましょう。

成長点では細胞が分裂し、その後、細胞の伸長や分化を通じて器官が形成されます。植物ホルモンは少量で成長や分化などを調節する物質です。作られる場所、移動、受け取る組織の性質によって結果が変わります。図1のように、物質の名前と作用先を線で結ぶと整理できます。

図1のように、胚が器官に発達する道筋と、ホルモンが成長を調節する関係は別の矢印です。ホルモンがそのまま器官になるという意味ではありません。

オーキシンは茎の伸長や屈性に関係し、頂芽が側芽の成長を抑える頂芽優勢にも関わります。根では茎と濃度に対する感受性が異なり、同じ濃度で根の伸長が抑制される場合があります。ジベレリンは茎の伸長や種子の発芽を促します。アブシシン酸は種子の休眠の維持や、乾燥時の気孔閉鎖に関わります。エチレンは果実の成熟や落葉を促す作用があります。これらの作用は代表例であり、条件を離れて常に同じ結果が出るという意味ではありません。

屈性は、方向のある刺激に応じて器官が一定方向に曲がる成長です。茎の光屈性では、片側から光を受けると、一般に陰側の伸長が大きくなり光の方向に曲がります。重力に対して横向きに置いた茎は上向き、根は下向きに曲がります。重力に応じたオーキシンの偏りと、器官ごとの伸長反応を分けて考えます。光受容体や花芽形成の詳しい条件はここでは扱いません。

光屈性の実験でも、光を当てた側と陰側を示した上で伸長量を比べます。たとえば先端を覆う操作で曲がりが変わったとしても、覆いが光を遮ったこと以外に成長自体を妨げていないかを考える必要があります。透明な覆いを付けた対照と比べれば、覆う操作そのものの影響を検討できます。それでも、その比較だけで細胞内の全過程が明らかになるわけではありません。

ホルモンの働きを尋ねる問題では、発芽と休眠の違いにも注意します。ジベレリンが発芽を促すことと、アブシシン酸が休眠の維持に関わることは、同じ種子の状態に対する異なる調節として整理できます。水を与えたか、休眠中かなどの条件が示されていなければ、処理後の結果を決めつけることはできません。果実の成熟に関わるエチレンについても、名称と結果を結び、発芽の作用と取り違えないようにします。

基本例題：横に置いた茎と根

同じ植物の若い茎と根を水平に置き、一定時間後の伸長を調べました。下側にオーキシンが多く分布したとします。自作資料では、上側と下側の伸長量は、それぞれ茎が4 mmと7 mm、根が5 mmと2 mmでした。ほかの条件はそろえています。茎と根がそれぞれ上向きか下向きかを答え、「下側」「伸長」を使い、それぞれ40字程度で理由を述べてください。

図2のように、上側と下側を各器官で別々に比べます。与えられた量は観察時間内の伸長量であり、器官全体の長さではありません。

まず茎の下側と上側の差は、7 − 4 = 3 mmです。下側がより長く伸びると、その側が曲がった外側になります。したがって茎は上向きに曲がります。答えは「下側の伸長が上側より大きいので、茎は上向きに曲がる」です。

根の下側と上側の差は、2 − 5 = -3 mmです。負の値は、下側の伸長が上側より3 mm小さいことを表します。上側が外側になるので、根は下向きに曲がります。答えは「下側の伸長が上側より小さいので、根は下向きに曲がる」です。図2の値に戻すと、茎は下側7 mmが上側4 mmより長く、根は上側5 mmが下側2 mmより長いので、両方の向きと一致します。

この資料からわかるのは、示された条件で上下の伸長に差があったことです。下側のオーキシンが多いという条件も合わせると、器官ごとに異なる伸長の結果と対応します。しかし、濃度を変えた別の試料との比較がないため、数字だけから濃度ごとの反応曲線全体を決めることはできません。曲がりの原因を詳しく調べるには、他の条件をそろえ、オーキシンの分布や作用を変える対照も必要です。

比較を増やした例題

別の自作実験では、切り取った同じ植物の茎と根の切片に、濃度0と濃度Xのオーキシンを与えました。濃度以外の条件と処理時間はそろえました。平均伸長量は、茎では濃度0が3 mm、濃度Xが6 mm、根では濃度0が4 mm、濃度Xが1 mmでした。濃度Xの作用を濃度0と比べ、茎と根についてそれぞれ「促進」か「抑制」で答えてください。また、この結果から濃度Xで処理した茎全体が必ず曲がるといえるか、「両側」「差」を使い40字程度で答えてください。

茎の差は6 − 3 = 3 mmで、濃度Xの方が大きいため伸長の促進です。根の差は1 − 4 = -3 mmで、濃度Xの方が小さいため伸長の抑制です。差を基準値に戻すと、茎は3 + 3 = 6 mm、根は4 − 3 = 1 mmとなり、資料と一致します。

曲がりについては「いえない。茎の両側に伸長の差が生じるとは示されていない」と答えます。切片全体の伸長が大きくても、茎の左右が等しく伸びれば、この情報から曲がるとは判断できません。片側の伸長だけが大きければ、その側を外側として曲がります。反応の強さと、器官内の分布の偏りは別の条件です。

また、この実験の比較からは、濃度Xが濃度0より根の伸長を抑えたといえますが、根のすべての濃度で抑制されるとはいえません。濃度をいくつか変え、同じ器官で基準と比較して初めて、各濃度の作用を調べられます。濃度Xを与えたという事実と、植物内で自然に生じる局所濃度は同一とは限りません。

誤答を条件に戻して直す

「下側にオーキシンが多いので、茎も根も下側が伸び、両方とも上向きになる」という答えは、基本例題の根の資料と矛盾します。原因は、茎での促進をそのまま根へ移したことです。図3のように、同じ偏りでも器官の反応を別に確認します。

図3の左から右へ、偏り、器官、伸長の大小を順に追います。基本例題では茎の下側はよく伸び、根の下側は上側より伸びません。曲がる向きを決めるのは伸長の差です。濃度の高低から直接、矢印を決めないようにします。

別の誤りは「精細胞2個がともに卵細胞と合体して胚になる」です。合体相手を2組に分け、卵細胞から胚、中央細胞の極核との合体から胚乳へと書き直します。また「エチレンが増えれば必ず茎が伸びる」とする答案は、作用と器官の対応が不明です。果実の成熟など、授業で扱った具体的な作用へ結び直します。

練習：資料に戻って答える

次の問題はすべて自作です。記述の字数は目安です。まず4問を解き、その後に解答を見て条件と照らしてください。

1. ある被子植物の胚のうに花粉管が達しました。2個の精細胞の合体相手と、それぞれの合体後に発達するものを、「卵細胞」「極核」「胚」「胚乳」を使って60字程度で述べてください。

2. 水平に置いた別の根で、上側の伸長量は8 mm、下側は3 mmでした。根が上向きか下向きかを答え、伸長量の差を整数で、単位を付けて示してください。上側と下側以外の条件はそろっています。

3. 同じ植物の茎の切片に、濃度0と濃度Yのオーキシンを与えたところ、同じ時間での伸長量は順に2 mmと5 mmでした。濃度以外は同条件です。濃度Yの作用を濃度0と比較して答え、伸長量の差を整数のmmで示してください。この比較から根にも同じ作用があるといえるか、「器官」を使って30字程度で述べてください。

4. 同じ種類で状態をそろえた種子を同数ずつ2群に分け、温度、水、酸素などの条件を同じにした自作実験です。一方にはジベレリンを与え、他方には与えません。前者で発芽した種子が多かったとします。どの比較から何がいえるか、「ジベレリン」「発芽」を使い50字程度で述べてください。この結果から、どんな条件でも必ず発芽するといえるかも答えてください。

解答と確かめ方

1. 「一方の精細胞は卵細胞と合体して胚になり、他方は2個の極核と合体した細胞から胚乳ができる」です。精細胞は2個で、相手はそれぞれ異なります。胚乳を胚そのものとして扱わないよう、合体相手から行き先を逆向きにもたどります。

2. 下向きで、差は5 mmです。上側8 mmから下側3 mmを引くと8 − 3 = 5 mmです。長く伸びた上側が曲がりの外側になり、根は下向きになります。下側の3 mmに差の5 mmを加えると上側の8 mmに戻るので、差と向きの対応を確かめられます。

3. 茎の伸長を促進し、差は3 mmです。5 − 2 = 3 mmで、基準の2 mmに3 mmを加えると処理後の5 mmに戻ります。根については「いえない。器官が違い、根の資料がない」などと答えます。茎での比較は根の伸長を測定していないため、根の反応を決められません。

4. 「与えた群と与えない群を比べると、この条件ではジベレリンが発芽を促したと考えられる」です。温度などをそろえ、与えたかどうかを比較しています。どんな条件でも必ず発芽するとはいえません。この結果は指定された条件での群の比較であり、別の条件や個々の種子まで結論を広げる根拠はありません。

手元に残す要点

受精卵は胚へ、もう一方の合体後の細胞は胚乳へ発達します。
ホルモンの作用は器官と濃度を添えて整理します。
屈性は両側の伸長の差から曲がる向きを考えます。
実験の結論は、比較した条件の範囲に限ります。

答案のどこで止まったか

受精の説明が曖昧なら、精細胞を2個描き、それぞれの相手と行き先を矢印で結んでみます。矢印が1か所に集まる場合は、胚と胚乳の由来を言葉で区別できるかを確かめます。器官分化の図では、胚の部分が根や茎につながることと、胚乳の役割を別に書けるかが目印です。

屈性の答案が逆向きなら、まず上下の伸長量を図に書き、長く伸びた側を曲線の外側に置けるかを調べます。その後でオーキシンの分布と器官ごとの反応を照合します。個別指導では、結論だけを直す前に、比較の基準を口頭で説明し、根と茎の資料を入れ替えたときに判断が変わる理由を確かめます。条件と伸長の差を結ぶ図が、植物の曲がり方の根拠になります。