植物の体内には多くの無機元素が存在し、そのほとんどは根を介して土壌から取り込まれる。すべての植物の生命活動の維持に必須である金属元素はMg、K、Ca、Mn、Fe、Cu、Zn、Moの8種である。一方、必須性の証明がなされていない元素を体内に多量に取り込む植物種が存在することが知られている。本研究で対象をしたシダ植物の中には、希土類元素を集積する種が存在する。

　多くの場合3価のカチオンとして存在する希土類元素は、土壌中で鉱物やフミン酸などと強く相互作用し、その結果植物が取り込める形で存在する希土類元素の濃度はきわめて低い。それにもかかわらず体内に希土類元素を濃縮するためには、集積種の根には特殊な取込機能が備わっているものと推測できる。また、濃縮するからには希土類元素を何らかの生体機能に利用している可能性がある。

　シダ植物は日本でおよそ800種、世界には10000種以上存在もしているが、実験材料としてシダ植物が用いられることは稀である。しかし、シダ植物には上記のように特異な性質を有する種があり、未知の現象の発見に結び付く可能性を大いに秘めている可能性があることから、本研究の対象とした。

　本研究はこれまで重要視されることの少なかった、植物による希土類元素の取込機構の解明を目的とした。また、希土類元素集積植物種であるベニシダ体内における希土類元素の挙動と機能を明らかにすることを目的とした。

　同一土壌値で採取した96種のシダ植物を対象に、種々の微量元素の含有量を放射化分析により調べ、特に希土類元素を体内に濃縮する性質を有する種のスクリーニングを行った。定量値を得ることができた元素は、Ca、Sc、Cr、Fe、Co、Zn、Rb、Cs、Ba、La、Ce、Sm、Eu、YbおよびLuの15種類であった。その結果、対象とした96種中、生育土壌に含まれるよりも高濃度のLa(ランタン)を植物体内に含有したものが11種にも及んだ(表1)。多様性に富んだ、つまり環境適応能力の高いオシダ科やチャセンシダ科に属するシダ植物の中には高濃度のLaを含有するものが多く見られたが、最古の原生シダであるマツバランや、シダ植物のなかでも古い系統に属する種においては、Laの濃度は非常に低かった。進化した種ほど不必要な元素の取込みを抑制する機構が備わっているものと考えられることから、これら希土類元素の集積種は希土類元素を不必要な元素としてではなく、有用な元素として識別し、積極的に取り込んだものと考えられる。

表1 生育土壌に含まれるランタン濃度よりも大きな値を示したシダ植物種

　植物による元素の取込みや植物体内での挙動を調べる際には、主にマルチトレーサー法を用いた。マルチトレーサー法とは、多種類の放射性核種の挙動をキャリアフリーで同時に追跡する新しいトレーサー利用法であり、植物など生物への種々の元素と取込みと挙動の研究に最適である。マルチトレーサーは理研リングサクロトロンで高エネルギーに加速した炭素や窒素などの重イオンビームを金、銀などのターゲットに照射して製造した。ビーム照射後のターゲット中の未反応の金属は、化学分離により除去した。金をターゲットとする場合は、ビーム照射した金ターゲットを王水に溶解後、蒸発乾固し1.5Nの塩酸に溶解、さらに酢酸エチルを用いて金を溶媒抽出して除去した。金ターゲットからは、Be、Na、Mn、Fe、Co、Zn、Rb、Sr、Y、Zr、Ba、Ce、Pm、Eu、Gd、Yb、LuおよびHfを主に利用した。また、銀をターゲットとする場合は、硝酸で溶解後、塩酸を加えて銀を塩化銀の沈殿として除去した。銀ターゲットからはBe、Mn、Cr、Co、Zn、Se、Rb、Sr、YおよびZrを主に利用した。植物などの試料中の各トレーサーは、ゲルマニウム半導体検出器により検出、定量した。

　まず、シダ植物から3種、シダ植物以外から8種を対象にして、希土類元素の取込挙動についての比較を行った。希土類元素のみを含むpH5.8の取込溶液から、1週間各元素の取込みを行わせた。取込量をイオン半径に対してプロットした場合に、根については特異的な結果は得られなかった(図1左)。葉については、希土類元素を環境中で多く取り込む植物種(j:ヤブソテツ、k:ベニシダ)においては、Y(イットリウム)が他の希土類元素と類似の挙動をとるのに対し、希土類元素を集積しない植物種では、Yの取込みが隣接する希土類元素(GdとYb)の取込みに比較して著しく大きかった(図1右)。

図1 各種植物の根(左図)、葉(右図)への希土類元素取込み。破線(Å)はイットリウム。

　次ぎに、上記と同様の取込溶液に種々のキレート剤を加え、共存キレート剤による希土類元素の葉部への取込みに対する影響を、希土類元素集積種のベニシダと、非集積種のタバコについて調べた(図2)。ベニシダへの取込みは、希土類元素への配位能が強いニトリロ三酢酸(NTA)などのキレート剤の存在下ではイオン半径の大きな希土類元素ほど大きくなった。一方、トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン(Tris)のような弱い配位能しかもたない試薬の存在下では逆になった。また、タバコに関しては共存キレート剤の影響は見られず、キレート剤を含まない時の実験結果(図1)と同様にYの異常に大きい取込みが観察された。

図2 ベニシダ(左図)、シバ(右図)葉部への希土類元素取込みに対する共存キレート試薬の影響。

　これらの結果から、希土類元素集積植物種であるベニシダは、土壌中の希土類元素を取り込むために自らの根から何らかの化学物質を放出して錯体を形成し、可溶化しているものと考えた。Yおよび他の希土類元素との間には、f軌道の有無のように多少の化学的性質の相違が存在する。集積種は根から放出した物質に希土類元素を結合して取り込むためにそれらからの影響が緩和され、Yの取込みに異常が現われなかったものと解釈した。また、図2の結果は、希土類元素に対しベニシダの根から放出された物質がキレート剤として、水耕溶液中に添加したキレート剤と競争反応を行ったために得られたものと解釈した。

　前項の結果を元に、ベニシダの根から放出される物質を集め、希土類元素の取込みに対する影響を調べることを試みた。ベニシダの根から放出される物質は、多量のベニシダの根を栄養塩を含まない水溶液中で軽く振とうして集めた。その溶液を、活性炭、陽イオン交換樹脂、陰イオン交換樹脂を用いることによって、芳香族アミノ酸含有物質、塩基性物質、中性物質そして酸性物質の物質群に分離し、実験に供した。分離、濃縮した根からの放出物質を、ベニシダにマルチトレーサーとともに与え、各元素の取込みを行わせた。その結果、何も加えない条件(コントロール)と比較して、芳香族アミノ酸含有物質、塩基性物質、および中性物質を加えた場合にはYの取込量にほとんど影響が見られなかった。そして、酸性物質を与えた条件でのみYの取込みに増加が見られた(図3)。植物体が自ら放出し、金属の可溶化、取込みに利用している物質として、現在までに大麦からのムギネ酸が唯一知られている。しかし、抽出されたムギネ酸を取込溶液中へ添加してもYの取込みへの促進効果を見られなかった。これより、酸性物質群に含まれる物質はベニシダに特有のものであると考えられる。

図3 ベニシダの根から放出された物質の示すイットリウムの取込みに対する効果

　希土類元素集積植物のベニシダと、集積する性質を有さないタバコを、成長に十分な栄養塩とそれ以外にLaを含む寒天培地で成育し、育成期間の前後での生重量の変化から、Laがこれらの植物種の生育に対して持つ効果を調べた結果、Laの添加はタバコに対して成長促進効果を持たないことがわかった。一方、ベニシダに対しては成長促進効果を有した。希土類元素はこれまでにいかなる動植物の成長への必須性も有用性も証明されていない元素であった。さらに、遠心分画法によりベニシダ葉部の分画をおこなったところ、ベニシダ体内に取り込まれた希土類元素のうち70%程度は葉緑体に存在することがわかった。また、ゲルろ過法により、葉緑体内に存在する可溶性タンパク質の分画をおこなったところ、希土類元素と特異的に結合するタンパク質が存在することを確認した。

　土壌水中で一般植物にとって利用できる形として存在する希土類元素は極低濃度しか存在しない。そのような希土類元素を体内に高濃度に取り込む性質を有するシダ植物種が存在することを放射化分析法により確認した。さらに、集積種は土壌中の希土類元素を可溶化するために根から何らかの物質を放出して利用していることを示唆する結果を得た。また、希土類元素集積植物の一種であるベニシダにおいて、希土類元素は主に葉緑体に存在し、ベニシダに対し成長促進効果を有することを初めて明らかにした。以上から図4のようなモデルを考案した。ここで得られた結果は、希土類元素を含む未知の生体物質の発見、さらにはその機能の解明につながるものと考える。また、葉緑体が光合成を行うための小器官であることから、希土類元素がベニシダ体内で葉緑体における炭酸固定に寄与している可能性を示していると期待できる。

図4 希土類元素集積種(ベニシダ)における希土類元素取込機構モデル