窒素と聞くと、空気中の成分を思い浮かべる人も多いかもしれません。実は窒素は、植物の成長に欠かせない栄養素の一つでもあります。
植物は、土の中にある窒素を、主に硝酸イオンとアンモニウムイオンという形で根から吸収します。それを材料にしてつくられるのが、タンパク質やDNA、そしてクロロフィルです。特に葉では、窒素の多くが光合成に必要なタンパク質をつくるために使われます。一方、クロロフィルは光合成に必要な光エネルギーを吸収する色素です。主に赤色と青色の光を吸収し、緑色の光はあまり吸収しないため、私たちの目には葉が緑色に見えます。

窒素が足りなくなると、これらがうまく合成できなくなり、光合成もうまく進まなくなります。葉の色が薄くなり、黄色っぽくなることもあるそうです。

ある程度の窒素不足では、地上に見えている葉の成長が抑えられる一方、土の中の根はむしろよく伸びる傾向があるといいます。窒素を吸収しているのは根ですから、足りないときは葉より根に力を注いだ方が理にかなっている。肥料を抑えて育てた株を掘り起こすと、地上部は小さいのに根だけはびっしり張っている、ということが起こるそうです。
動かないように見える植物も、環境に合わせて体のつくり方を変えているのです。

では植物は、何を手がかりに「今、窒素が足りない」と判断しているのでしょうか。

これまでは、窒素が不足するとタンパク質やクロロフィルを十分につくれなくなり、その結果、光合成や体の働きが低下して成長が悪くなると考えられてきました。
もちろんそれも理由の一つです。
ところが、蜂谷准教授たちの研究からは、植物は体の中にある硝酸イオンの量そのものを“情報”として利用していることが分かってきました。つまり、硝酸イオンが多いか少ないかを手がかりに、自分の窒素の状態を判断しているというのです。

硝酸イオンが少なくなると、植物は「今は窒素が足りない」と判断し、葉の成長を抑えて根を伸ばす方向へ切り替わります。反対に、硝酸イオンが十分にあるときは、根はそれほど伸ばさず、葉を大きくする方向へ変わる。つまり、植物は自分の窒素の状態に合わせて、成長の戦略を合理的に切り替えているのです。
蜂谷准教授はこの状態を植物の「腹の減り具合」という言葉で表現します。人でいえば、血糖値などの体内の状態をもとに、お腹が減ったり満腹を感じたりするのと同じようなイメージだそうです。最近の研究から、この「腹の減り具合」に応じた反応を調節する遺伝子も、明らかになってきているそうです。

ちなみに、硝酸イオンの量は、植物をすりつぶして成分を取り出し、試薬と反応させた後、光を当てて測ります。硝酸イオンが多いほど、反応液が特定の色の光を強く吸収するため、吸収される光の量から硝酸イオンの量がわかるという仕組みです。蜂谷准教授の研究室でも、この、色の濃さを光で測る「吸光光度法」と呼ばれる方法を使っています。

もちろん、植物が人間のように「お腹が減った」と感じているわけではありません。それでも、体の中にある硝酸イオンの量を手がかりに、葉や根の成長の仕方まで変えているのは興味深いところですね。

蜂谷准教授がもう一つ研究の軸にしているのが、「アンモニウム毒性」です。

アンモニウムイオンは、植物にとって大切な窒素源の一つですが、大量に与えると成長が悪くなり、場合によっては枯れてしまうこともあります。この現象は、進化論で知られるチャールズ・ダーウィンが19世紀に記録として残しているそうです。それでもなぜ、毒性が起こるのかは今も完全には解明されていません。

これまでは、植物が吸収したアンモニウムイオンが体の中にたまり、そのアンモニウム自体が毒性を示すと考えられてきました。
植物は、取り込んだアンモニウムイオンを「グルタミン」というアミノ酸に変えます。これは、アンモニウムを体内で使いやすい形にする反応です。

ところが、蜂谷准教授が、たくさんのシロイヌナズナの中からアンモニウムイオンを与えてもよく育つ変異株を大量の株の中から探し出して調べたところ、思いがけない結果が出ます。
アンモニウムイオンに強かった株では、アンモニウムイオンをグルタミン変える仕組みの一部が働かなくなっていたのです。これまでの考え方なら、この働きが弱くなればアンモニウムイオンが体内にたまり、もっと成長が悪くなるはずです。ところが実際には逆でした。

「当時は困りました。教科書と真逆なんで。」

では、なぜ強くなったのでしょうか。
その理由を追いかけていくと、アンモニウムイオンをグルタミンへ変える反応が進みすぎることで、植物の体内に酸がたまり、それが植物のダメージにつながっていることが見えてきました。つまり、アンモニウムイオンを処理できないことだけが問題ではなく、処理する反応が進みすぎることも、植物にとって負担になるということです。

最初からこの答えを見込んでいたわけではありません。
大量の変異株を調べる中で、たまたま予想外の株に出会い、それを「なぜこんな結果になるのか」と追いかけた先に、新しい発見がありました。定説と異なる内容だったため、論文の審査では厳しい指摘を受けたそうですが、発表後は反響も大きく、現在も多く引用される論文になりました。
蜂谷准教授は、すんなり受け入れられた研究より、厳しい批判を受けた研究の方が、後に大きな反響を呼ぶことが多いと感じているそうです。研究成果だけを見ていると分かりにくい、論文になるまでの試行錯誤が垣間見えるエピソードでもありました。

研究室のもう一つの特徴が、昔から農業で使われてきた「接ぎ木」を、遺伝子研究の道具として使っていることです。

接ぎ木は、ある植物の根と、別の植物の地上部をつなぎ、それぞれの良い性質を生かす技術です。ある遺伝子が、根で働くことが大事なのか、それとも葉で働くことが大事なのかを調べたいとき、根と地上部を別々の株から持ってきてつなぐことで、それを切り分けて確かめられます。
取材では、もし人間でも同じことができれば、足の速さの理由が脚にあるのか脳の指令にあるのかを「上半身と下半身を入れ替えて確かめられる」という大胆なたとえも飛び出しました。

研究材料のシロイヌナズナは遺伝子研究ではよくつかわれる植物ですが、接ぎ木が難しい植物で、扱える研究室は多くないのだそう。温度や光の強さなど細かな条件を調整する必要があり、条件が合わないとほとんど成功しないそうです。
蜂谷准教授の研究室では、状態の良い株であれば9割ほどの成功率でつなぐ技術を確立しています。

この接ぎ木を使った研究に取り組んだ蜂谷研究室の大学院生（現 岡山大学研究員）は、若手研究者にとって最高峰の賞の一つである日本学術振興会「育志賞」を受賞しました。

「日本学術振興会 育志賞」受賞報告会レポート | 島根大学ウェブマガジン　ShimaDAY（シマデイ）

こうして蓄積した接ぎ木のノウハウは、今では研究室の「屋台骨」の一つになっているそうです。

蜂谷准教授が植物に興味を持ったきっかけは、中学時代に始めたアクアリウムです。最初は熱帯魚の飼育に夢中でしたが、次第に水槽を彩る水草の魅力に引き込まれ、いつしか水草を育てること自体が趣味になっていきました。大学生になってからも、水草栽培を楽しんでいたそうです。

とはいえ、その頃はまだ植物研究の道を目指していたわけではありません。大学4年での卒業研究先は、植物ではなく微生物を扱う研究室に所属していました。
転機が訪れたのは、大学院進学のタイミングです。希望していた研究室の定員があふれてしまい、別の研究室への異動を打診されました。「異動するなら植物かな」という何気ない選択が、その後の進路を決めることになります。

移った先の研究室では、研究テーマを教員が与えるのではなく、学生自身が考えることが求められました。「自分は何を研究したいのか」。その答えを見つけるには、自分の興味を掘り下げ、その分野で何が分かっていて、何がまだ分かっていないのかを知る必要があります。こうして、数多くの論文や資料を読み、自分ならではの研究テーマを探す日々が始まりました。
当時は特別な技術も経験もありません。だからこそ、「アイデアで勝負する」ことを意識していたそうです。こうした経験が、現在の研究スタイルの原点になっています。

蜂谷准教授がこれまで取り組んできたのは、植物の仕組みそのものを明らかにする基礎研究が中心です。ただ、研究テーマを考えるときには、その先に農業への応用がつながることも意識してきたといいます。
窒素は、作物を育てるうえで欠かせない栄養素の一つです。だからこそ、植物が窒素をどのように感じ、どう吸収し、どう成長を調節しているのか。その仕組みが分かれば、少ない肥料でも効率よく育ちやすい作物を考える手がかりになります。
現在、蜂谷准教授が学生と研究を進めているのが「イネ」です。
多くの植物は、アンモニウムイオンを大量に与えると生育が悪くなります。ところがイネは、アンモニウムイオンを比較的うまく利用できる植物なのだそう。

では、なぜイネはアンモニウムイオンに強いのでしょうか。その違いを探るため、イネの遺伝子をシロイヌナズナに取り入れ、アンモニウムイオンに強くなるものを探しています。すでに有望な候補遺伝子を複数見つけており、そのはたらきの解明に期待がかかります。
イネがなぜ強いのかが分かれば、その仕組みをほかの作物にも生かせる可能性があります。

背景には、将来の環境変化もあります。
蜂谷准教授によると、大気中の二酸化炭素濃度が高くなると、植物によっては硝酸イオンを利用する効率が低下する一方、アンモニウムイオンの利用は影響を受けにくいことが分かっているといいます。
そうなれば、これからの作物づくりでは、アンモニウムイオンをうまく利用できることが一つの強みになる可能性があります。アンモニウムを味方につけ、二酸化炭素が増える未来でも力を発揮する作物をつくる。それが蜂谷准教授の目指す新たな挑戦です。

もう一つ、農業への応用が期待されているのが接ぎ木です。
蜂谷准教授たちはこれまでに、接ぎ木によって根の性質を変え、栄養を吸収する力を高めることで、少ない肥料でも植物の成長量を約3割増やすことに成功しました。
現在の研究材料はシロイヌナズナですが、今後はイネや大豆など、実際に食べる作物にも研究を拡げていきたいと考えています。
基礎研究で分かった植物の仕組みを、実際の農業にどう活かしていくのか。シロイヌナズナで得られた知見を、 イネや大豆などの作物へ拡げる研究がこれからのテーマです。

最後に、学生へのメッセージを尋ねました。
これまでの研究生活を振り返ると、後に評価された仕事には、ある共通点があったといいます。
「だいたい、面倒くさいことをやった後なんですよね」
今は、さまざまなことを効率よく進められる時代です。便利な方法や道具も増えました。
一方で、誰でも簡単には効率化できない作業もあります。
たとえば、植物をどう育てるか。温度はどうするか。光の強さはどれくらいがいいのか。栄養をどれだけ、どのタイミングで与えるのか。一つずつ条件を変えながら試し、うまくいかなければまたやり直す。その積み重ねから生まれたのが、今では研究室の強みとなっている接ぎ木や栄養操作の技術です。
効率よくできることは、効率よく。その一方で必要な試行錯誤からは逃げない。蜂谷准教授は、そうした「面倒くさいこと」に向き合うことが、長い目で見れば自分自身や研究の強みにつながると考えています。
振り返れば、蜂谷准教授自身も、最初から一直線に植物研究者を目指してきたわけではありません。研究室の移動をきっかけに植物研究へ進み、教科書とは逆の実験結果に出会い、簡単には成功しない接ぎ木の条件を一つずつ探ってきました。
予定どおりにいかないことや、すぐには答えの出ないことに向き合う。
その積み重ねが、今の研究につながっています。



PROFILE
蜂谷 卓士（はちや・たくし）
島根大学 総合科学研究支援センター 遺伝子機能解析部門 准教授。専門は植物栄養学、植物分子・生理学。
大阪大学卒業後、同大学大学院を修了。博士（理学）。東京大学、理化学研究所、名古屋大学などで研究に従事。
モデル植物のシロイヌナズナを用い、植物が窒素の過不足を感じて成長を調節する仕組みや、アンモニウム毒性を研究。接ぎ木を用いた植物機能の解析にも取り組み、少ない肥料でも効率よく育つ作物への応用を目指している。