高校生物 ジベレリンと発芽—胚と組織の操作から貯蔵物質の利用を説明する｜武蔵野個別指導塾

胚の除去後にジベレリンと酵素を加える比較から、糊粉層の役割と貯蔵物質の分解を区別して捉えます。

よくあるのは、胚を取り除いた穀類の種子に酵素を加えると貯蔵物質が分解された資料を見て、ホルモンの産生が回復したと答える場面です。酵素が働いたことと、その酵素を作るように促す信号が作られたことは同じではありません。操作で補った場所と、観察した結果の間を一段ずつたどると、資料から言える範囲が見えてきます。

要点（結論から）

• 胚のジベレリンは糊粉層に作用し、分解酵素の合成を促します。
• アミラーゼはデンプンの分解に働き、得られた物質は成長に利用されます。
• 酵素を加えて分解が回復しても、ホルモン産生の回復は示されません。

資料で問われる3つの判断

第1に、胚や糊粉層を除いた区と残した区を比べ、どの組織が応答に必要かを考えます。第2に、ジベレリンやアミラーゼを加え、途切れた経路のどの位置を補ったかを判定します。第3に、発芽した種子の割合と、発芽後に伸びた長さを別々に読みます。割合が大きいことは、個々の芽が長いことを意味しません。

比較には対照が必要です。例えば胚を除いた区にジベレリンを加えた結果が変わっても、添加しない胚除去区がなければ添加の効果を切り分けられません。同じ期間、同じ温度と水分条件で扱い、調べる操作以外をそろえることが基本です。以下の資料の値はすべて学習用に設定した条件であり、実在する種の測定値ではありません。

胚から貯蔵物質の利用まで

穀類の種子には、将来の植物体になる胚と、デンプンなどの貯蔵物質を含む胚乳があります。胚乳の外側には糊粉層があり、発芽に伴う物質利用に関わります。種子が吸水すると、胚で作られたジベレリンが糊粉層に作用し、アミラーゼなどの加水分解酵素の合成が促されます。酵素は胚乳のデンプンを分解し、生じた糖などが成長する胚に利用されます。ジベレリン自身がデンプンを切る酵素なのではありません。

図1のように、信号、信号を受ける組織、酵素、基質、成長という順序を分けます。矢印は次の過程を促す、または物質が利用される関係を表し、すべてが同じ物質の移動を表すわけではありません。吸水は発芽に必要な条件の一つですが、それだけで各組織の働きが証明されるわけではありません。

図1の糊粉層はジベレリンを受けて酵素の合成に関わる場所です。アミラーゼはデンプンの分解を助ける酵素で、反応の材料であるデンプンとは別です。糖の生成と胚の伸長も別の観察項目です。糖が生じても、胚がなければその胚の伸長は測れません。また、伸長には適切な温度や水分なども必要です。図は穀類のモデルであり、あらゆる種子が同じ組織配置や貯蔵物質をもつという意味ではありません。

除去と添加を組み合わせると経路を調べられます。胚を除いた材料で分解が減り、ジベレリンの添加で回復すれば、胚の働きのうちジベレリンで代用できる部分があると考えられます。ただし、それだけでは胚が実際にジベレリンを産生したことまで直接測っていません。さらに酵素の添加で分解が回復した場合は、酵素を外から供給すれば分解が進むという結果です。ジベレリンの量や糊粉層での酵素合成が回復した証拠にはなりません。

基本例題：どこを補ったか

ある穀類モデルの吸水後の材料を同じ条件で保ち、一定時間後にデンプンの分解を調べました。胚を残すか除くかと添加物以外は同じです。糊粉層は全区に残っています。分解の有無は、分解産物の検出に基づきます。図2の結果から、次の2問に答えてください。

1. 胚を除く操作の影響を調べるための2区を記号で答えてください。
2. C区とD区について、添加物が経路のどの位置を補うかをそれぞれ30字程度で説明してください。

図2のAとBは添加物を加えず、胚の有無だけが違います。よって1の答えはAとBです。Aでは分解が検出され、Bでは検出されません。条件をそろえたこの比較は、胚が通常の分解に関わることを支持します。

2は、Cではジベレリンが信号として糊粉層に作用する部分を補い、Dではアミラーゼがデンプンを分解する部分を補う、となります。BとC、BとDをそれぞれ比べると、胚を除いた材料でも添加により分解が検出されています。ただしCとDの両方で分解したからといって、CとDの中間段階が同じ状態だったとは決まりません。Dでは酵素そのものを加えているので、ホルモン産生の回復を示しません。

別の整理法として、各区の経路に印をつけます。Aは胚からの信号が期待され、Bは胚を除いています。CはBに信号を、DはBに酵素を加えています。各操作から観測点までを矢印でたどれば、Dの結果を信号の生成まで逆向きにたどる誤りを防げます。検出されない場合も、実際に分解が全くないとは限りません。検出限界より少ない場合と、分解がない場合はこの資料では区別できません。

標準例題：割合と長さを分ける

同じ種類の穀類の種子について、十分な水を与えた対照区とジベレリン処理区を比べました。各区40粒を用い、一定期間後、根が現れた粒を発芽と判定しました。その後、発芽した粒についてのみ芽の長さを測定しました。対照区は発芽30粒、発芽粒の長さの合計120 mm、処理区は発芽36粒、発芽粒の長さの合計108 mmでした。各区の発芽率を整数の百分率、発芽粒の平均の長さを小数第1位までのmmで求め、両方の指標を比べてください。

発芽率は、発芽粒数を用いた粒数で割って100をかけます。対照区は30 / 40 × 100 = 75 %、処理区は36 / 40 × 100 = 90 %です。発芽粒の平均は発芽粒の長さの合計を発芽粒数で割るので、対照区は120 / 30 = 4.0 mm、処理区は108 / 36 = 3.0 mmです。処理区は発芽率が高い一方、発芽した粒に限れば平均の長さは短いという結果です。

分母を元に戻して確かめます。40粒の75 %は30粒、90 %は36粒です。平均に発芽粒数をかけると4.0 × 30 = 120 mm、3.0 × 36 = 108 mmとなり、与えられた合計と一致します。未発芽粒を含めて長さの平均を出す問題なら、未発芽粒を何mmと扱うかを定める必要があります。今回の平均は発芽粒に限定されるので、全粒の平均と呼び替えてはいけません。

この結果だけでジベレリンが常に伸長を抑制すると一般化することはできません。濃度、種子の状態、測定時点が変われば結果は変わり得ます。粒ごとのばらつきも平均値だけでは見えません。より確かな比較には、処理を同じ条件で繰り返し、粒の状態や発芽時刻の差も記録します。発芽率の分母と伸長量の対象を先に書くことが、数値を読む際の出発点です。

発展例題：必要な組織を切り分ける

胚を除いた同じ穀類モデルの材料を用います。糊粉層を残したPと除いたQを作り、それぞれに水だけ、ジベレリン、アミラーゼを加えます。他の条件はそろえ、同じ時間後にデンプンの分解を調べました。結果はPでは水だけで検出なし、ジベレリンとアミラーゼで検出あり、Qでは水だけとジベレリンで検出なし、アミラーゼで検出ありでした。各処理は十分な量が目的の場所に届くとします。

1. ジベレリンによる分解の検出に糊粉層が必要だとする考えを支持する比較を答えてください。
2. Qにアミラーゼを加えて分解した結果から、糊粉層を除いた後の材料について言えることと、言えないことを各1つ、40字程度で書いてください。
3. ジベレリンが糊粉層に作用して酵素合成を促すという考えをさらに調べるため、追加する測定を1つ挙げてください。

1はジベレリンを加えたPとQの比較です。違いは糊粉層の有無で、Pのみ分解が検出されました。このモデルの条件では糊粉層がジベレリンに対する分解応答に必要であるという考えを支持します。ただし除去操作が他の部分を傷つけた可能性は別途検討します。

2は、言えることは「外から与えたアミラーゼによって分解されるデンプンが残っていること」です。言えないことは「Q自身がジベレリンに応答してアミラーゼを合成したこと」です。Qへの酵素添加は、糊粉層を経由せず分解段階を補います。分解の検出は、残った基質と添加酵素が働き得ることを示しますが、除去された組織の能力を復元した証拠ではありません。

3は、Pの糊粉層についてジベレリン添加の有無で新たに作られるアミラーゼ量を比較する測定です。添加前の量や測定時刻をそろえ、酵素量と分解産物を別々に調べます。酵素量が増え、分解も増える結果は考えを支持しますが、他の条件の影響を除くための対照も必要です。

結果を表に整理する別解では、行を糊粉層の有無、列を添加物とします。同じ列のPとQを比べれば組織の影響、同じ行の水と添加物を比べれば添加の影響です。行と列を同時に変えた比較では、どちらが結果を変えたか分けられません。除去の際の損傷、添加物の分布、個体差や測定のばらつきは誤差の原因になります。学校の指導の下で実験を行う場合も、操作条件と測定方法をそろえ、独立した材料で繰り返す設計が必要です。

誤答から経路を描き直す

「胚を除いた材料にアミラーゼを加えたらデンプンが分解された。したがって胚のジベレリン産生が回復した」という答えは、観察結果から原因を逆向きに決めています。図3のように酵素の添加点は信号より後です。分解が起きた事実をそのまま書き、ホルモン産生の有無は別に測る必要があると修正します。

図3では、アミラーゼを外から入れても胚を戻していません。分解の回復は酵素の供給による説明と整合しますが、供給された酵素が糊粉層自身によって合成されたとは言えません。同様に、ジベレリンを加えて分解が検出されなかった場合も、直ちにジベレリンが無効だとは決められません。糊粉層の損傷、添加物が届かないこと、酵素が働く条件や測定感度など、複数の説明が残ります。

グラフでも縦軸を読み替えないようにします。横軸を処理後の時間、縦軸を分解産物の量とした曲線なら、上昇は測定された産物の増加を示します。傾きが小さくなった区間は増加が遅くなったことを示しますが、量そのものが減ったとは限りません。量が変わらない場合も、産生と消費がつり合う可能性を検討します。軸の単位と観測項目を記してから、生産、分解、伸長のどの段階を測ったか確認します。

練習：操作と観察を結ぶ

次の5問はそれぞれ独立した自作資料です。特に断らない限り、比較する区は記された操作以外の条件をそろえています。

1. 胚と糊粉層を残した区E、胚のみ除いた区F、胚を除きジベレリンを加えた区Gを比べたところ、EとGでは分解産物が検出され、Fでは検出されませんでした。ジベレリン添加の効果をみる比較を記号で答え、結果から言えることを40字程度で書いてください。
2. 胚を除き糊粉層を残した材料に酵素を加えると分解産物が検出されました。「胚のホルモン産生が回復した」という推論の問題点を40字程度で書いてください。
3. 種子50粒のうち32粒が発芽し、発芽粒の芽の長さの合計が160 mmでした。発芽率を整数の百分率、発芽粒の平均の長さを小数第1位までのmmで求めてください。
4. 糊粉層を残した材料と除いた材料の両方にジベレリンを加えました。前者では分解産物が検出され、後者では検出されませんでした。除去以外の条件は同じで、添加物は十分届きます。この結果を支持する説明を40字程度で書き、除去に伴う別の可能性を1つ挙げてください。
5. 同じ胚除去材料に、水だけを加えた区とジベレリンを加えた区を設けます。ジベレリンが酵素合成を促したかを調べたいとき、分解産物に加えて何を比較するか、30字程度で答えてください。

解答と考え方

1. FとGです。胚を除いた材料でジベレリンの添加により分解産物が検出された、と言えます。EとGを比べると胚の有無と添加の両方が異なるため、添加の効果を単独では切り分けられません。検出結果は添加されたホルモンの作用と整合しますが、胚による産生の直接測定ではありません。

2. 酵素の添加は分解段階を補う操作で、胚のホルモン産生を直接測っていない点です。胚は除去されたままであり、分解産物の検出から信号の発生源が回復したとは結論できません。酵素の由来とホルモンの有無を別々に記録します。

3. 発芽率は32 / 50 × 100 = 64 %、平均は160 / 32 = 5.0 mmです。50粒の64 %は32粒で、5.0 mmを32粒分合計すると160 mmです。平均の分母を50粒にすると、問題で指定された発芽粒の平均とは異なります。

4. 糊粉層がジベレリンに応答して分解につながる過程に必要という説明を支持します。別の可能性は、糊粉層を除く操作で他の部分が損傷し、分解や検出に影響したことです。添加物が届くという条件は与えられていますが、損傷の影響までは除かれていません。

5. 両区の糊粉層で新たに合成されたアミラーゼの量を比較します。同じ時点で測り、添加前の状態をそろえます。分解産物だけでは、酵素の合成量の違いと、既存の酵素の働きや基質への到達の違いを区別できません。

要点を結ぶ

• 胚のジベレリンは糊粉層に作用し、分解酵素の合成を促します。
• アミラーゼはデンプンの分解に働き、得られた物質は成長に利用されます。
• 酵素を加えて分解が回復しても、ホルモン産生の回復は示されません。
• 発芽率の分母は調べた粒数、発芽粒の平均伸長の分母は発芽粒数です。
• 比較する2区の違いと、実際に測った項目を先に確かめます。

答案のどこで迷ったかを見つける

個別指導で確かめるときは、まず本人に胚、糊粉層、酵素、デンプンを並べて矢印を描いてもらいます。酵素を加える位置が胚より前になっていれば、物質とその産生を促す信号の区別から戻れます。次に2区の条件の差を丸で囲み、観察したものと推論したものに別の印をつけます。

計算で迷う場合は、発芽した粒数と測定対象の粒数を資料の脇に書き、平均値から合計を復元します。数が合っていても、分解産物の量を発芽率と呼んでいれば、縦軸と分母を読み直します。経路の途中を補った結果は、その途中から先を説明する根拠になります。