修士課程での研究から、気孔は濡れにすばやく反応して閉じ、1時間ほどかけて徐々に開度を増すことが明らかになったが、気孔の開閉とともに光合成速度がどのように変化するのか、濡れたまま光合成速度を測定し、雨の中での光合成速度を測定した。光合成速度は雨処理開始後すぐに35%程まで低下し、そして気孔開度の増加とともに1時間後には処理前の約70%で安定した。このとき葉を乾かして、二酸化炭素の拡散阻害のない条件で、その葉の持つ潜在的な能力としての光合成速度を測定すると全く阻害はなかった。

　さらに処理を続けた結果、雨処理開始後2時間では影響がみられないものの(図1)6時間後に高二酸化炭素分圧領域の光合成速度に差が生じはじめ(図1)、24時間後には大気条件下(35PaCO₂)での光合成速度は大きく低下した。この時の光合成速度は雨処理中止後3日を経ても回復しなかったが、高二酸化炭素分圧下の光合成速度は3、4日で回復した。高二酸化炭素分圧領域での光合成速度の低下が可逆的なのに対して、大気条件下での光合成速度は不可逆であることから、雨による光合成の阻害には2種類の阻害機構が存在することが示唆される。

　修士課程の研究では、雨処理時の光環境に関係なく光合成が阻害を受けるという結果を得たが、さらに光強度を低くして雨処理を行ったところ、雨処理による光合成阻害率は一日の積算光量子密度が5mol m^-2day^-1の時にもっとも大きく(これは雲霧地帯や、明るい雨の日など、自然界でもみられる明るさである)それ以下の光強度では阻害率は徐々に減少し暗黒下では全く阻害効果がないことが示された(図2)。

図1.雨処理前後の光合成速度1400mol m^-2s^-1の光量子密度下、葉温25℃で、測定時の二酸化炭素分圧を変えて光合成速度(A)を側定し、計算によって求められた葉内二酸化炭素分圧(Ci)に対してプロットした.異なるシンボルは植物個体の違いを示し、白はその個体の雨処理前.風は雨処理後の光合成速度を示す.

図2.雨処理時の光量子密度と光合成阻害率24時間の雨処理中に観測された積算光量子密度に対する雨処理前後の光合成速度の比(雨処理後/雨処理前の光合成速度)

図3.RuBisCO量と光合成速度の相関関係大気条件下で測定された雨処理前(〇△□)と24時間雨処理後の光合成速度(●▲■).異なるシンボルはそれぞれ異なる実験シリーズを表している.相関係数r²-0.84

　ACi曲線の初期勾配はRuBisCOのinsitu活性を反映していることから、まずRuBisCOの活性を測定した。十分に活性化させたときの酵素活性(最大活性)も、葉の破砕直後に測定した活性(初期活性)も、大きく減少しており、活性率の変化よりも酵素量自体の変化を示唆している。そこでRuBisCO量をSDS-PAGEによって測定したところ、著しい酵素量の減少が見られ大気条件下で測定した光合成速度をRuBisCO量に対してプロットすると、良い相関が見られた(図3)。このことから、雨処理による光合成阻害の一因は、RuBisCO量の減少にあることが明らかになった。初期勾配の低下が不可逆的であることも、酵素量の減少で説明できる。

　雨処理後の高二酸化炭素分圧領域での光合成速度の低下は、RuBisCO量の低下では説明できない。この部分はRuBPの生成速度で律速される部分であり、アンチセンス突然変異種を用いた解析からも50%程度のRuBisCOの低下ではACi曲線の高二酸化炭素分圧領域の光合成速度は低下しないことが知られている。つまり、高二酸化炭素分圧領域の光合成速度の低下の原因はまた別に考察しなくてはならない。そこで、ATPやNADPHの供給量の変化を通して光合成速度を律速しうる光化学系の電子伝達活性を測定した。すると、光化学系の全鎖の活性は雨処理によって低下していた。これを高二酸化炭素分圧領域での光合成速度に対してプロットした図4から光合成速度低下の主原因は電子伝達活性の低下にあることが示された。では、電子伝達鎖のどの部分が阻害されているのだろうか。光化学系Iや系IIの活性には変化がなくP700量の測定や系II活性の指標となる蛍光値にも変化がみられなかったことは、b/f複合体など系IやII以外の部分であることを示唆している。

図4.電子伝達速度と光合成速度の相関関係高二酸化炭素分圧領域での光合成速度は90PaCO₂で測定した光合成速度で表し、全鎖の電子伝達速度は水からMVまでの酸素吸収速度で示した.

図5.低二酸化炭素処理後の光合成速度葉内二酸化炭素分圧(Ci)に対する.a 7PaCO₂処理後(●■▲)と末処理(〇□△)の葉の光合成速度と.b 6PaCO₂処理後(●■)と未処理(○□)の葉の光合成速度.処理時の光量子密度1000mol m^-2s^-1

　水滴が葉の表面に付くことによって葉の内部光環境が変化する可能性がある。これについてはBrewer et al.(1991)が詳しく述べているが、水滴の形によってはレンズ効果によって光を葉の内部に集めたり、逆に影を落としたりする。しかし、葉の内部光環境に変化があればクロロフィル量の変化が予想できるが、長期の雨処理後の葉のクロロフィル量に有意差がみられず、葉の内部光環境の変化は光合成阻害の原因となるほどに存在するとは考えにくい。

　Stenlid(1958)は自然界の降雨によってイオンなどさまざまな物質が葉から水へ流失するリーチングという現象を見いだし、Tukeyら(1970)は放射性物質を利用して冠水時に葉からイオン、糖類、アミノ酸や植物ホルモンなどが溶け出すことを示した。雨処理による光合成阻害はリーチングが原因なのだろうか。Tukeyらと同様に水中に葉を浸し、その後の光合成速度を測定した。すると300m^-2s^-1の光の下ではACi曲線でみると、光合成速度が対照にくらべてどの二酸化炭素分圧でも低下した。しかし、暗黒下で水のみの影響を見ると光合成速度の低下はみられなかった。

　水滴が気孔を塞ぐと、先に述べたとおり二酸化炭素の細胞への拡散速度は著しく遅くなる。そこで、雨処理や冠水処理での効果が二酸化炭素の不足によるものかどうか、インゲンの二枚の初生葉のうち片方の葉を低二酸化炭素分圧にさらし、1000m^-2s^-の光を照射した。処理二酸化炭素分圧を雨処理時の推定葉内二酸化炭素分圧である7PaCO₂まで低下させたところ、図5のように高二酸化炭素分圧領域で顕著な光合成速度の低下を示した。さらに、推定分圧がより低い可能性も考え、処理分圧を6PaCO₂まで低下させたところ、図5にあるようにACi曲線は雨処理後と同様に顕著な光合成速度の低下を示した。また、雨処理後の葉と同様に系Iや系IIの傷害を引き起こさずに全鎖の電子伝達活性が低下していることがわかった。しかし、雨処理におけるようにルビスコの分解は引き起こさず、ルビスコの活性低下にとどまった。この結果から雨処理による光合成の阻害原因の一部が二酸化炭素欠乏による可能性を示された。