植物の根は光を感知：光は葉の光受容体で検知され、光は維管束を通って根の赤/遠赤の波長の光を感知する光受容体に届きます。

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植物の根は暗闇の中で光を見る

Plant roots in the dark see light

https://www.sciencedaily.com/releases/2016/11/161103124913.htm

Date:　November 3, 2016
Source:　Max Planck Institute for Chemical Ecology

情報源：マックスプランク化学生態学研究所

Summary:
概要

Light transmitted from the shoot to the roots activates photoreceptors in the roots and triggers light-dependent growth responses in plants, scientists have discovered.

シュート（茎とその上の葉）から根に伝わった光は、根の光受容体を活性化し、植物の光依存的な成長反応を引き起こすことが科学者によって発見された。

Shoot　：シュート（シュート（英: Shoot）とは、茎とその上にできる多数の葉からなる単位であり、維管束植物の地上部をなす主要器官である[1]。苗条[1][2][3]（びょうじょう[2]）、芽条[1]（がじょう）、葉条[3]（ようじょう）、枝条[4]（しじょう）とも呼ばれる。普通、シュートという語が用いられる[3]。ウイキペディアより
Photoreceptors：光受容体

FULL STORY

記事全文

Light is not only a source of energy, but also an important signal which regulates many light-dependent growth processes in a plant in order to adapt it to its environment in the best possible way. Light is first detected by photoreceptors in the shoot of a plant. Physiological processes in the plant are mediated by light signaling molecules. For more than three decades, scientists have been speculating whether roots are also able to perceive light. However, this hypothesis could never be proved until this new study was published. "Physicists from Korea and biologists from Jena teamed and combined knowledge from both disciplines in order to find out, whether plant vascular bundles could act as light optical fibers and transmit light from the shoot to the roots," Sang-Gyu Kim, one of the first authors of the study and co-initiator of the project, describes the successful cooperation.

光はエネルギー源であるだけでなく、植物を環境に最適に適応させるために、光に依存する多くの成長過程を制御する重要な信号でもある。光はまず植物のシュート（茎とその上の葉）にある光受容体によって検出される。植物の生理学的プロセスは、光信号分子によって媒介される。30年以上前から、科学者たちは根も光を感知できるのではないかと推測してきた。しかし、この新しい研究が発表されるまで、この仮説が証明されることはなかった。「韓国の物理学者とイエナの生物学者がチームを組み、植物の維管束・維管束が光ファイバーとして機能し、光をシュート（茎とその上の葉）から根に伝えることができるかどうかを調べるために、両分野の知識を組み合わせたのです」と、この研究の筆頭著者の一人であり、プロジェクトの共同発起人のSang-Gyu Kim氏は、この協力の成功について述べている。

plant vascular bundles　：植物の維管束・いかんそく

Previous studies had shown that a special photoreceptor in plants which detects light of the wavelength red/far-red is surprisingly also expressed in the roots.

これまでの研究で、赤/遠赤の波長の光を感知する植物の特殊な光受容体が、意外にも根にも発現していることがわかっていました。

However, it remained unclear how this root photoreceptor was activated. In an interdisciplinary effort, molecular biologists and optical physicists developed a highly sensitive optical detector along with the idea to compare plants with "blind" and "sighted" roots.

しかし、この根の光受容体がどのようにして活性化されるのかは不明のままであった。分子生物学者と光物理学者は、学際的な取り組みとして、「盲目」の根と「視力」のある根を持つ植物を比較するというアイデアとともに、高感度の光検出器を開発した。

They used plants of the thale cress Arabidopsis thaliana, a model organism in plant research, which were genetically modified in a way that the photoreceptor was only silenced in their roots, but not in their shoots.

彼らは、植物研究のモデル生物であるセイヨウアブラナ科の植物を使用した。この植物は、光受容体が根の中でだけ不活性化され、芽の中では不活性化されないように遺伝子操作されたものである。

thale cress：シロイヌナズナ◇アブラナ科の一年草

Arabidopsis thaliana　シロイヌナズナ

Hence, these plants had "blind" roots. The scientists grew these modified plants along with control plants; their roots were in the dark soil and their shoots exposed to light, just like in nature.

したがって、これらの植物は「盲目」の根を持っていた。科学者たちは、これらの改変植物を対照植物と一緒に育てた。根は暗い土の中にあり、芽は自然界と同じように光にさらされていた。

The optical detector system was used to measure light which was transmitted in the stem down to the roots.

光検出器システムを使い、茎から根に伝わる光を測定した。

"With this approach, we could show clearly and without ambiguity that light is transmitted into the roots via vascular bundles. Even if the intensity of the transmitted light was low, it was sufficient to activate the photoreceptors, trigger downstream light signaling, and influence growth in the control plants," Chung-Mo Park, the leader of the project at Seoul National University, explains.

「この方法により、光が維管束を経由して根に透過することを、曖昧さなく明確に示すことができた。たとえ透過光の強度が低くても、光受容体を活性化し、下流の光シグナル伝達を引き起こし、対照植物の成長に影響を与えるには十分でした」と、ソウル大学のプロジェクトリーダー、Chung-Mo Park氏は説明する。

"These results are crucial for further research projects. Our work proves that roots are able to perceive light, even though they are usually found belowground. Photoreception in the roots triggers a signaling chain which influences plant growth, especially the root architecture," says Ian Baldwin, leader of the study at the Max Planck Institute for Chemical Ecology in Jena.

「これらの結果は、今後の研究プロジェクトにとって極めて重要である。私たちの研究は、根は通常地下にあるにもかかわらず、光を感知できることを証明しています。根における光受容は、植物の成長、特に根の構造に影響を与える信号伝達の連鎖を引き起こします」と、イエナのマックス・プランク化学生態学研究所の研究リーダー、イアン・ボールドウィンは述べている。

He already looks into the future: "There are more photoreceptors in the roots. Until now, it has remained largely unknown what their responsibilities in the roots are and how they interact with light signals which are transmitted from the shoots."

彼はすでに将来を見据えている： 「根にはもっと多くの光受容体があります。これまで、根における光受容体の役割や、シュート（茎とその上の葉）から伝達される光信号との相互作用については、ほとんど解明されていませんでした」。

It is of major importance for ecological research to show the relevance of this study for plants growing in their natural habitat. To find out, the scientists want to perform experiments with another plant species, the coyote tobacco Nicotiana attenuata, a model plant in ecology, which is adapted to an extremely strong exposition to light. The researchers propose that the newly found sensory modality of roots is enhancing the ecological performance of plants in nature, by allowing for a better timing of resource allocations for growth, reproduction and defense.

生態学的研究にとって、この研究が自然の生息地で生育している植物に関連することを示すことは非常に重要である。それを明らかにするために、科学者たちは、生態学のモデル植物であり、非常に強い光に適応するコヨーテタバコNicotiana attenuataという別の植物種で実験を行いたいと考えている。研究者たちは、新たに発見された根の感覚モダリティが、成長、繁殖、防御のための資源配分をより良いタイミングで行うことを可能にすることで、自然界における植物の生態学的パフォーマンスを高めていると提案している。

関連文献

Trends in Plant Science

Multiple Routes of Light Signaling during Root Photomorphogenesis

根の光形態形成における光信号の複数の経路

https://www.cell.com/trends/plant-science/fulltext/S1360-1385(17)30132-2?rss=yes#:~:text=Photoreceptors%20expressed%20in%20the%20roots,via%20auxin%20and%20cytokinin%20signaling

Although the roots are embedded in the soil, they undergo photomorphogenesis when the shoots are exposed to light. There are three major routes of light signaling from the shoots to the roots: transmission of mobile signaling messengers, direct sensing of light by the roots, and light channeling through the plant body.

根は土の中に埋もれているが、シュート（茎とその上の葉）が光を浴びると光形態形成を行う。シュートから根への光信号伝達には、移動性信号伝達物質の伝達、根による光の直接感知、植物体を介した光チャネリングの3つの主要ルートがある。

Photomorphogenesis：光形態形成
光形態形成（ひかりけいたいけいせい、英: Photomorphogenesis）は、植物の光応答の一種である。光によって植物の生長や分化などの形態を制御するものを指す。高等植物では、光受容体の一種であるフィトクロムを介するタイプ、（紫外-）青色受容体を介するタイプが知られている。青色光反応（青色光応答、紫外-青色光反応、紫外-青色光応答）における光形態形成には、胚軸の伸長抑制、子葉展開、子葉開閉、色素生合成などが知られている。ウイキペディアより

Phytohormones, photosynthetic compounds, mobile proteins, and RNA molecules are translocated from the shoots to the roots for balanced root/shoot growth and development.

植物ホルモン、光合成化合物、モバイルタンパク質、およびRNA分子は、シュート（茎とその上の葉）から根に移動し、根とシュート（茎とその上の葉）のバランスのとれた成長と発達を実現する。

Photoreceptors expressed in the roots directly perceive soil-penetrating light to regulate root growth, development, and tropic responses mostly via auxin and cytokinin signaling.
Recent breakthroughs identify a distinct route of light signaling during root photomorphogenesis in which the red and far-red light-sensing photoreceptor, phyB, perceives stem-piped light to trigger morphogenic responses in the roots.

根に発現する光受容体は、土壌を透過する光を直接感知し、主にオーキシンとサイトカイニン信号伝達を介して根の成長、発達、光屈性反応を制御する。最近の画期的な研究により、根の光形態形成における光信号の明確な経路が明らかにされ、赤色および遠赤色の光を感知する光受容体フィトクロムB(phyB)が、根の形態形成応答の引き金となる茎管の光を感知することがわかった。

tropic responses　光屈性反応
auxin　オーキシン（オーキシンとは、主に植物の成長を促す作用を持つ植物ホルモンの一群）ウイキペディアより
cytokininサイトカイニンをもつ化合物一群の総称とされる。
phyB：Phytochrome B (phyB)　フィトクロムB(phyB)は赤・遠赤色光受容体である。
stem　茎（篩管・導管）

Plants dynamically adjust their architecture to optimize growth and performance under fluctuating light environments, a process termed photomorphogenesis. A variety of photomorphogenic responses have been studied extensively in the shoots, where diverse photoreceptors and signaling molecules have been functionally characterized. Notably, accumulating evidence demonstrates that the underground roots also undergo photomorphogenesis, raising the question of how roots perceive and respond to aboveground light. Recent findings indicate that root photomorphogenesis is mediated by multiple signaling routes, including shoot-to-root transmission of mobile signaling molecules, direct sensing of light by the roots, and light channeling through the plant body.

植物は、変動する光環境のもとで、成長とパフォーマンスを最適化するために、その構造をダイナミックに調整する。様々な光形態形成反応は、シュート（茎とその上の葉）において広く研究されており、多様な光受容体や信号伝達分子の機能的特徴が明らかにされている。注目すべきは、地下の根でも光形態形成が起こっていることを示す証拠が蓄積されつつあることで、根が地上部の光をどのように感知し、反応しているのかという疑問が投げかけられている。最近の知見によると、根の光形態形成は、移動性信号分子のシュート（茎とその上の葉）から根への伝達、根による光の直接感知、植物体を介した光チャネリングなど、複数のシグナル伝達経路によって媒介されている。

In this review we discuss recent advances in how light signals are transmitted to the roots to trigger photomorphogenic responses.

この総説では、光信号が根に伝達され、光形態形成反応を引き起こす仕組みに関する最近の進歩について論じる。

Keywords

キーワード

root photomorphogenesis、mobile signals、photoreceptors、stem-piped light

根の光形態形成、モバイル信号、光受容体、茎管光

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