高校生物 オーキシンの移動—切断と寒天の比較から信号の生成と輸送を切り分ける｜武蔵野個別指導塾

先端を除く操作と寒天による回復を比べ、切片を反転させた資料でオーキシンの極性移動を確かめます。

よくあるのは、芽生えの先端を除くと伸長が弱まった資料を見て、オーキシンの輸送方向まで断定する場面です。先端を除く操作は、先端から供給される物質が伸長に関係する可能性を示します。しかし、その結果だけでは、残った部分の中を物質がどちらへ移動したかは比べられません。切った場所と戻したものを図に書き込み、何を変えた比較かを追います。

どの操作が問いに答えるか

資料の出方は大きく3つあります。第1は先端を残す区と除く区の比較です。伸長の差から先端の関与を考えますが、切断による損傷もあるため、先端が物質を作る証拠と即断しません。切断した先端を戻す区を加えると、切断自体の影響を調べる手がかりになります。

第2は先端と伸長部の間に寒天や不透過性の仕切りを挟む比較です。先端と直接つながらなくても寒天を介して作用が伝われば、寒天を通る物質の関与が考えられます。不透過性の仕切りで作用が弱まるなら、連続した接触だけでなく、仕切りを通過できることが重要だと考えられます。ただし、仕切りの厚さや接触状態も変われば、通過性だけが原因とは限りません。

第3は切片の両端を入れ替えた輸送試験です。元の先端側と基部側に印を付け、物質を与える側と受け取る側を交換します。重力に対する上下と器官本来の向きを分ければ、極性移動を読み取れます。以下の資料の数はすべて考察のために作った条件であり、実在種の測定値ではありません。

先端から伸長部へ届くもの

幼い茎の先端付近ではオーキシンがつくられ、下方の伸長部へ移動します。オーキシンは植物ホルモンの一種で、少量で成長などを調節する物質です。先端の働きと、伸長部がその物質に応答する働きは別です。先端を取り除いて伸長が低下しても、伸長部そのものが必ず壊れたとはいえません。

図1のように、先端側から基部側への向きを、切り出す前の器官の向きで記録します。矢印はオーキシンの主な移動方向を示します。茎の極性移動とは、この器官の形態上の先端側から基部側へ向かう輸送が優勢であることです。切片を上下逆にしても、先端側という印が基準です。重力の下向きと同じ意味ではありません。

図1の伸長部では、条件に応じてオーキシンが細胞の伸長を促します。作用は器官や濃度、発達段階によって変わるので、オーキシンが多いほどどの組織でも必ず伸びるとはいえません。ここでは同じ発達段階の幼い茎を用い、与える量が伸長を促す範囲にあると条件を定めます。光の向きによる左右差は持ち込まず、全周に均一な光の条件で比較します。

寒天は物質を受け渡すための媒介として考えます。寒天に移ったことと、その物質がオーキシンであることは同一の証明ではありません。伸長を起こす物質が移ったという結果に加えて、その物質の同定が必要です。対照に用いる未処理の寒天も同じ大きさ、接触時間にそろえると、寒天自体や操作の影響を比べられます。

切片の受け手側で測った量は、移動した量を反映しますが、組織内での保持、分解、接触の差にも左右されます。両方向の差を輸送の向きと解釈するには、切片の長さや供給量、測定時間、切断面の状態をそろえます。得られた量が小さい場合は、輸送が全くないと断言せず、測定できる範囲と比較して判断します。

基本例題：仕切りを挟む

同じ発達段階の幼い茎を均一な光の下に置き、次の4区を比べます。切断した区は同じ位置で切り、戻す先端と仕切りの接触面積をそろえました。伸長量は一定時間の増加分で、単位はmmです。数値は自作条件です。

図2の配置を参照し、(1) 先端の関与、(2) 寒天を通る物質の関与について、それぞれ比較する2区を示し、各40字程度で説明してください。また、輸送方向まで決められるか答えてください。

図2では上が先端、下が伸長部です。寒天を薄青、不透過性の仕切りを灰色で示します。表の量は伸長量であり、寒天を通った物質の量ではありません。

(1) AとBを比べます。先端を除いたBの伸長はAより 8 − 2 = 6 mm 小さいので、先端の存在が伸長に関係すると考えられます。ただし切断の影響も残ります。(2) CとDを比べます。先端を戻しても、寒天を挟んだCでは7 mm、通さない仕切りのDでは2 mmです。この条件では、寒天を通過できる物質が先端から伸長部へ作用するという説明が結果に合います。

CとAの差は1 mmです。寒天を挟む操作は元の状態を完全に再現していないかもしれません。それでもCがBより5 mm大きいことは、先端からの作用が寒天を介して戻ることと整合します。計算を表に戻すと、Bの2 mmに差5 mmを加えてCの7 mm、Bに差6 mmを加えてAの8 mmです。

この4区は、先端の有無と仕切りを比べています。伸長部の切片に物質を両端から与えていないため、切片内部の両方向の輸送の優劣は決められません。先端から下の組織へ作用が伝わったことと、その組織が逆向きには輸送しにくいことは別の問いです。

標準例題：切片の向きを反転する

均一な光で育った同じ発達段階の幼い茎から、長さの等しい伸長部の切片を取ります。元の先端側をP、基部側をQと印を付けます。供給寒天には同量のオーキシンを含ませ、反対側に受容寒天を接触させます。受容寒天に回収された量を、供給量に対する百分率で示しました。受容寒天への直接の漏れは無視できる条件です。数値は自作です。

(1) 器官本来の方向による違いと重力方向による違いを、それぞれ適切な区で比べて説明してください。(2) EとGの回収率の差を整数のパーセントポイントで求めてください。(3) この結果が示す輸送の特徴を50字程度で述べてください。

1. EとGはPが上という配置をそろえ、供給と受容の端を交換しています。24%と4%の差は、元の器官の向きによる輸送の偏りを示します。重力の向きについては、同じP → Qを保って上下を逆にしたEとFを比べます。24%と22%であり、向きを反転してもP → Qの回収率は高いままです。GとHも同様に4%と5%です。わずかな差を直ちに重力の効果とせず、反復によるばらつきを確認します。

2. 24 − 4 = 20 パーセントポイントです。これは比率どうしの差であり、20%増加という言い方とは区別します。4に20を足すと24になり、元の2区を再現できます。

3. 答えは「切片を上下反転しても、元の先端側Pから基部側Qへの輸送が逆向きより優勢です」です。表の4行を方向別に並べ直す別解では、P → Qは22〜24%、Q → Pは4〜5%です。どちらの置き方でも前者が大きく、重力に対する上下ではなく器官の極性に沿う傾向が読み取れます。ただし、この表だけで輸送を担う細胞や分子の仕組みまでは決まりません。

発展例題：結果が戻らないときの設計

別の幼い茎を均一な光の下で比べます。先端を除いた区Jの伸長量は3 mm、除いた切断面に、あらかじめ先端に接触させた寒天を置いた区Kは9 mm、先端に接触させない寒天を置いた区Lは3 mmでした。別の試行では、先端に接触させた寒天を置いても区Mは3 mmでした。伸長量はいずれも同じ時間の増加分で、数値は自作です。KとMの先端接触時間、寒天の大きさ、茎の発達段階は記録されていません。

(1) J、K、Lから言えることを、比較する区を示して60字程度で述べてください。(2) Mを踏まえ、Kの結果を再現できない原因を2つ挙げ、切り分ける比較を提案してください。先端由来の作用物質以外の可能性にも触れてください。

1. KとLを比べると、寒天自体を置く操作は同じで、先端に接触させたかが異なります。Kの伸長はLより 9 − 3 = 6 mm 大きいため、先端に接触した寒天に、伸長を促す作用が移ったと考えられます。JとLがともに3 mmであることは、未接触の寒天を置くだけでは、この条件で伸長が増えなかったことを示します。Lの3 mmに6 mmを加えるとKの9 mmです。ただし作用物質の名前や、それが先端で生成されたかは、この比較だけでは確定しません。

2. Mでは先端への接触が短く、寒天に十分な量が移らなかった可能性があります。茎の切断面が損傷し、寒天中の物質に応答しにくかった可能性もあります。前者を調べるには発達段階と寒天の大きさをそろえ、先端への接触時間を変えた寒天を比べます。後者には、同じ量のオーキシンを含む寒天を、切断条件の異なる茎に与える比較を設けます。実際の操作は学校の指導の下で行います。

別の説明として、接触した寒天にオーキシン以外の成分が移り、伸長を変えた可能性もあります。作用の有無を確かめた上で、物質の同定や、既知のオーキシンを与えた対照との比較が必要です。Kだけを成功例として採用せず、Mも条件とともに検討します。複数の個体で反復し、個体差や接触のずれによるばらつきを調べると、差が安定した傾向かを判断しやすくなります。

誤答から比較へ戻る

「先端を除くと伸びない。だからオーキシンは必ず上から下へ極性移動する」という答案は、観察と結論の間が飛んでいます。図3のように、先端の有無を比べた結果は先端の関与を示しますが、逆向きに物質を与えた場合の結果は含まれていません。除去に伴う損傷も別の説明として残ります。

図3の矢印は次に必要な比較を示し、物質の移動方向そのものを表すものではありません。修正するには、切断した先端を戻す対照を設けた上で、切片の両端を入れ替える試験を加えます。さらに切片を反転すれば、器官の向きと重力の向きを分けられます。

もう1つの誤りは、受容寒天の量が少なければ「その方向には全く移動しない」と書くことです。少量でも回収されれば、逆方向の輸送がゼロという結論にはなりません。回収量が測定限界より小さい場合も、ゼロと検出できないことは異なります。答案には、比較した条件でどちらが優勢だったかを書きます。

練習：操作と結論を対応させる

次の5問はそれぞれ独立した自作資料です。いずれも均一な光の下にある同じ発達段階の幼い茎を用い、数値は実測値ではありません。

1. 先端を残した区の伸長量は12 mm、先端を除いた区は4 mmでした。差を整数と単位で求め、この2区から言えることと輸送方向について言えないことを、それぞれ30字程度で述べてください。
2. 切断後、先端を直接戻した区は10 mm、同じ切断後に先端を戻さない区は3 mmでした。直接戻す区を設ける意味を40字程度で述べてください。
3. 同じ切片について、元の先端側から基部側への回収率が18%、逆向きが6%でした。差を整数のパーセントポイントで示し、優勢な方向を答えてください。供給量と測定時間は同じです。
4. 同じ量の物質を切片の元の先端側から与えたところ、Pを上にした区では受容側に16単位、Pを下にした区では15単位が回収されました。Pは元の先端側です。この比較が調べる条件と、まだ必要な逆向きの比較を各30字程度で答えてください。
5. 先端に接触した寒天を置いた区と未接触の寒天を置いた区で伸長が同じでした。先端由来の作用が存在しないと断定できるか答え、別の説明を2つ、各30字程度で挙げてください。

答えと考え方

1. 差は 12 − 4 = 8 mmです。4 mmに8 mmを加えると12 mmに戻ります。先端の存在は伸長に関係すると考えられますが、切断の影響も残ります。両端からの輸送を比べていないため、極性移動の方向は決められません。
2. 切断後に先端を戻して伸長が回復するかを調べ、切断操作そのものの影響と先端を失った影響を分けるためです。完全に元の状態に戻る保証はなく、接触状態も確認します。
3. 差は 18 − 6 = 12 パーセントポイントです。6に12を足すと18に戻ります。元の先端側から基部側への輸送が、この条件では優勢です。逆向きにも6%が回収されているので、逆向きがゼロとはいえません。
4. 元の先端側から基部側への供給方向を保ち、切片の上下を逆にして重力に対する向きの影響を比べています。極性の優劣を調べるには、元の基部側から先端側への供給も、同じ条件で測る必要があります。16と15という近い値だけから差がないと確定せず、反復によるばらつきも調べます。
5. 断定できません。例えば、寒天への接触時間が短く作用物質が十分に移らなかった可能性と、切断面の損傷で伸長部が応答しにくかった可能性があります。未接触寒天を使う対照は寒天自体の影響を調べますが、接触時間や組織の状態の影響までは除けません。条件をそろえ、既知量のオーキシンを与える対照も加えて検討します。

覚えておく判断

先端の除去は先端の関与を調べます。切断の影響は別に確かめます。
寒天を介した回復は、通過できる作用物質の存在を支持します。
極性移動は、器官本来の先端側と基部側を基準に両方向を比べます。
切片の反転は、器官の極性と重力方向を分ける比較です。
検出量が少ないことと移動がないことは異なります。

答案を見直すとき

先端を除いた結果から方向を書いてしまう場合は、答案の図に供給側と受容側を記入し、逆向きの試験が資料にあるかを見ます。寒天を通ったという結果から物質名を断定する場合は、作用を示す試験と物質を同定する試験の違いを説明できるか確かめます。

個別指導では、切片を上下逆に描いてもPとQの印を保てるか、比較する2区で何が同じで何が異なるかを本人の言葉で確認します。予想どおりに回復しなかった区も資料に残し、接触や切断の条件を見直す提案まで答案に書けると、結論の届く範囲が明確になります。先端の役割と移動の向きは、それぞれに対応する比較から判断します。