フジのつるにおける外在性維管形成層は保存されたKNOX遺伝子の発現と関連する

隠れた仕掛けを持つ登攀性のつる植物

ノダフジは、パーゴラを紫色の花で覆うことで有名であり、一方で樹木を覆い尽くしてしまうことで悪名高い。しかし、そのねじれた樹皮の下には、これらのつるがどのように登り、曲がり、損傷から跳ね返るかを説明する助けとなるかもしれない、異常な木材形成の仕組みが潜んでいる。本研究はフジの茎内部、さらに遺伝子レベルにまで踏み込み、追加の木材形成組織の層がどのように形成されるかを明らかにし、植物が内部の導管系や支持構造をどのように再発明するかを垣間見せる。

ほとんどの樹木が太くなる仕組み

ほとんどの木本植物では、長寿と高い樹高は血管形成層（vascular cambium）と呼ばれる細長い幹細胞の一層に依存している。この分裂する細胞の輪は、年々静かに内側に新しい木部を、外側に新しい内樹皮を付け加え、幹の肥大と数十メートルに達する水の上昇を可能にする。レッドウッドやブリッスルコーン松のような古典的な例はこの単純な設計に従う：一つの形成層、一つの主な木部円筒、そして比較的秩序だった茎の構造である。

規則を破るつる植物

フジのような登攀植物は異なる課題に直面する。自立して直立するのではなく、他の植物に巻き付き、支えが失われたときには頻繁に曲げられ、ねじられ、あるいは損傷を受ける。多くのつるは“外在性維管形成層（ectopic cambia）”と呼ばれる構造上の驚きを持つ：茎の予期しない場所に出現する、追加の木材形成組織の輪や束である。これらの追加形成層は損傷の修復を助けつつ、水輸送と柔軟性を保つことが先行する解剖学的研究で示されていたが、この異例の組織形成の背後にある遺伝的指令はほとんど不明のままだった。

細胞の“職業転換”を追う

研究者らは、外在性形成層を作るノダフジと、通常の単一形成層設計を維持する近縁のつるであるインゲンマメを比較した。詳細な顕微鏡観察を用い、両種の茎の発生を追跡した。若い茎は類似しており、維管束の輪が連続した形成層へと融合して通常の木部と内樹皮を産生していた。しかし、年を経たフジの茎では新たな変化が生じた：外層皮（皮層）にある通常の生細胞が局所的に分裂を始め、散在する組織のポケットを形成して新たな形成層へと成熟した。これらの新しい層は断片的かつ重なり合う単位で独自の木部と樹皮を生じ、単一のきれいな円筒の代わりに複数の輪や束を作り出した。

形成層遺伝子の“聞き取り”

これらの異常な組織が形成されるときにどの遺伝子が活性化しているかを調べるため、チームは木部・形成層・内樹皮を含む薄い接線切片を慎重に削り取り、それらのサンプルの全RNAをシーケンスした。インゲンマメ、フジの典型的な形成層、そしてフジの外在性形成層の間で遺伝子発現を比較すると、ホルモンシグナル伝達、細胞分裂、エピジェネティック制御に関わる数百から数千の違いが明らかになった。中でも興味深かったのはKNOX遺伝子群で、これはアラビドプシスやヤナギなどのモデル植物で幹細胞維持や維管発生に影響を与えることが既に知られている発生調節因子のファミリーである。典型的な形成層と外在性形成層の間でいくつかのKNOX関連遺伝子群が異なる発現を示し、これらが追加の成長層を制御する強い候補となった。

遺伝子ファミリーの歴史と鍵となる因子

著者らは次に進化的なスケールに拡大し、外在性形成層を持つ種と持たない種を含む45種の種子植物からKNOX遺伝子の大きな系統樹を構築した。KNOX遺伝子は大きく三つのクラスに分かれ、異なる系統で何度も重複していることが分かった。フジやマメ属が属するマメ科でも重複が見られた。アラビドプシスのKNAT2やKNAT6に関連する一つのサブグループは正の選択の兆候を示し、特に発現データで目立った二つのフジ遺伝子コピーにおいてその傾向が顕著だった。これらの遺伝子が典型的なKNOX調節因子のように振る舞うかを試すため、チームはフジ由来のこの遺伝子をアラビドプシスに導入した。得られた幼苗は小型で、葉がしわ寄り、深く鋸歯状になり、茎の発達が遅れるという古典的なKNOX様の表現型を示したが、維管組織に劇的な新たなリングが現れるわけではなかった。

植物多様性にとっての意義

解剖学的、遺伝学的、進化的、機能的な各証拠を総合すると、保存されたKNOX遺伝子、特にKNAT2/6様のバージョンがノダフジにおける外在性形成層形成の重要なスイッチであることを示している。フジはまったく新しい道具立てを発明するのではなく、長年保存されてきた発生遺伝子を再利用して、通常の皮層細胞を新たな木材生成層へと誘導しているらしい。本研究はつる植物に自然に生じる維管系の“変異”に対する初の遺伝学的光を提供し、標準的な樹幹を構築する同じ中核経路が柔軟で修復に適した茎を生み出すように書き換えられ得ることを示唆している。植物がこれらの経路をどのように調節するかを理解することは、最終的には生物学者が森や庭に見られる多様な木本形態を説明し、場合によっては設計する助けになるかもしれない。

引用: Cunha-Neto, I.L., Snead, A.A., Landis, J.B. et al. Ectopic cambia in wisteria vines are associated with the expression of conserved KNOX genes. Nat Commun 17, 2190 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68669-w

キーワード: フジのつる, 木部の発達, 植物の幹細胞, 遺伝子調節, 維管解剖学