生物実験室14

ワタの花色変化への紫外線の影響

ワタの花はクリーム色です。この花は開花した日の夕方には閉じ、翌日ピンクになります。
そのピンクの色素がつくられるには、紫外線を受けることが必要なようです。
それを確かめる実験を2006年夏（7月下旬〜9月上旬）に行ないました。

●実験材料の植物-ワタ
ワタはふつう5月に種まきする1年生草本です。この実験に使用したワタは、日本綿業振興会から送られたもので、アメリカ産のリクチメン（アプランド種）(Gossypium hirsutum）です。ここに記す実験はワタの花色についてですが、ご紹介のため、ワタの開花から白い繊維を噴出すまでについて簡単に述べます。

ワタの種まき時期は、最低気温が12℃以上となる5月です。5〜6月は、ごくゆっくりした成長ですが、7月、暑くなると急速に成長して枝を出します。 7〜8月に開花し、花は1日でしぼみ、散った後めしべの下部の子房が大きくなります。 左の写真、開花から50日目の子房は直径約4cmで、これをコットン・ボールといいます。

緑色のコットン・ボール（左の写真中1）の中では、20〜30粒の種子が育っています。 コットン・ボールは、やがてはじけて白い繊維をふきだします（写真中の2と.3）。 この繊維は、種子1粒1粒から生えた毛です。 白い繊維をふいたコットン・ボールは花のように見えるため、綿花とよばれます。 この白い繊維が布団綿や綿糸、綿織物の原料になります。 以上が、実験材料であるワタの紹介ですが、以下にワタの花色変化についての実験を述べます。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　[　　実　　験　　]

●ワタの花の状態の推移
　ワタの花は薄いクリーム色で、開花当日の夕方〜夜に閉じ、そのころからピンクに色づき始めます。翌日には、はっきりとピンクになっています。

ところが、ワタの鉢植えを室内に置いたところ、開花翌日ピンクにならなかったのです。このときのことは、ここにアップしてあります→身近な理科室5
なぜピンクにならなかったのか？次のような仮説をたてました。
このピンクの色素はアントシアニンで（参考資料6）、多くの反応段階を経て植物体内で合成されます。その反応が行なわれるには紫外線が必要で、室内では受ける紫外線の量が少なかったため、色素がつくられなかったのではないか？そこで次のような実験を行ないました。

●実験方法および結果
開花前のつぼみに、透明なUVカットフィルム（紫外線カットフィルム）でつくった袋をかぶせて屋外に置き、そのままの状態で開花させます。UVカットフィルムの袋は開花翌日まで被せておき、花の状態を観察します。下の1と2はUVカットフィルムの袋を被せた時が違います。それによって少し異なる結果になりました。なお、これらの実験では、開花前日、開花日、開花翌日の天候はすべて晴でした。.

1.開花前日の朝、UVカットフィルムの袋をかける

左の2枚の写真は、同じ日に開花した2つの花の、開花翌日午前9：30の状態。 初めの写真中の↓の先の花はUVカットフィルムの袋をかけなかったもの。ピンクになっている。 ↑の先の花は、開花前日午前7：00にUVカットフィルムの袋をかけた。花はクリーム色のまま。後の方の写真は、この花を拡大したもの。 開花前日朝から紫外線を受けられないと、花は開花翌日にピンクにならない。

2.開花前日午後、開花当日朝にUVカットフィルムの袋をかける

左の2枚の写真はそれぞれUVカットフィルムの袋をかけた花の、開花翌日の状態。 初めの写真は、開花前日午後1：00に、UVカットフィルムの袋をかけた。ふちの部分がごく薄くピンクになっている。 後の方の写真は、開花当日の午前6：30にUVカットフィルムの袋をかけた。このときには既に花は半開きの状態だった。 UVカットフィルムの袋をかけない花に比べると薄いが、花全体がピンクになっている。 開花前日午後や、開花当日早朝まで、紫外線を受けていた花は、開花翌日に薄くピンクになる。

●結果のまとめ
1.屋外で開花したワタの花は、開花翌日にピンク色になる。
2.開花前日〜開花日朝にかけて、つぼみにUVカットフィルムの袋をかけておくと、開花翌日にピンクになりにくい。その程度は、UVカットフィルムの袋をかけた時刻が早いほど大きい。すなわち、次の表のような結果になった。

●花の色素、花色変化についての資料調べ
花の色素について、ワタの花色変化について、また色素と紫外線との関係について現在どの程度のことが分かっているか下記の参考資料3）〜8）により調べてまとめました。

1）黄色、赤、ピンク、オレンジ、紫、青などの花色は左図のような色素系によって発現される（参考資料3,4,8）。

2）ワタの花に含まれる黄色の色素は、フラボノイド+カロチノイドである（参考資料7）。
開花後、細胞老化が進むと、フラボノイド（フラボノール）はいくつかの反応を経て還元され、アントシアニンに変化するため赤くなる（参考資料6、参考資料8）。

3）紫外線は色素合成に関係する遺伝子のはたらきを活性化する（参考資料4）。

●考察
以上の資料調べを念頭に、上記の実験結果の説明を試みました。
1)ワタの花は開花前日朝、UVカットフィルムの袋をかけると、開花翌日にピンクになりません。そこで、フラボノールがアントシアニンに化学変化する反応系の中に、それが進行するために紫外線が必要な反応があるといえます。
2)開花前日午後や、開花当日早朝にUVカットフィルムの袋をかけると開花翌日には薄い色合いながらピンクになります。しかし、袋をかけたときにはまだピンクではありませんでした。すると、その後は紫外線を受けることなく、ピンクではない物質からピンクのアントシアニンが合成できたわけです。
そこで、次のようなことではないかと考えました。

　　　　　　　　　反応段階1　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 反応段階2
フラボノール………………→中間物質（ピンクではない）………………→アントシアニン（ピンク）

反応段階1には紫外線を必要とする反応が含まれ、反応段階2は紫外線を受けなくても進行する。
開花前日午後や、開花当日早朝にUVカットフィルムの袋をかけた場合は、袋かけ前までに受けた紫外線により段階1の反応がすでに行なわれ、中間物質はいくらかできていた。その後UVカットフィルムの袋の内で中間物質はアントシアニン色素になった。しかし、袋かけ後は段階1の反応は行なわれないので、もはや中間物質はつくられず、従ってアントシアニン色素はそれ以上はつくられない。そこで、開花翌日にピンクにはなったものの、その色は薄かった。

●後記
以上は実験結果に基づいた考察ですが、さらに実験を繰り返して結果の再現性を確かめる必要がありそうです。
また、開花後に花がピンクになることには紫外線だけでなく温度も影響しているようです。つまり、非常に暑い日に開花すると、翌日を待たず開花当日の夕方には赤みを帯び始めます。そして、気温が低い場合には開花翌日に現れるピンク色は薄いのです。おそらく、温度が高いと酵素活性が高くなるためだと思われますが。温度を記録しつつ、ピンクへの変化の進行状態、色の濃さを調べてみたいと思います。
紫外線のはたらきは、ワタの花色変化の場合も色素合成に関わる遺伝子を活性化することだと思いますが、これを確かめるにはそれ相応の研究設備が必要です。
白またはクリーム色の花が咲いたあと、それがピンク色に変化する植物には、ほかにスイフヨウやオオオニバスなどがあります。しかし、花色変化が植物自身にとってどんな意味があるかは、まだ不明とのことです（参考資料5）。
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[参考資料]
○ワタの育成に関しては、以下の文献とウェブサイトを参考にしました　
1）「綿の栽培」」『はじめての綿づくり』大野康雄・広田益久編、日本綿業振興会-監修　P10〜68　（木魂社）
2）日本綿業振興会ホームページ　http://www.cotton.or.jp/
○花の色素に関して次のような事柄については、それぞれ以下の文献とウェブサイトを参考にしました
・花の色素の分類、花色発現のメカニズム
3）「花の色素の三大グループ」『花の色の謎』安田齊-著　P20〜33　（東海大学出版会）
4)「花の色のメカニズム」武田幸作　『週刊朝日百科植物の世界55』　P5-222〜5-224（朝日新聞社）
・花色変化のメカニズム
5）「花色変化のメカニズム」吉玉国次郎　『週刊朝日百科植物の世界10』　P1-292（朝日新聞社）
6）日本植物生理学会　みんなの広場-質問コーナー　（登録番号：0895）　http://www.jspp.org/17hiroba/question/index.html
・ワタの花に含まれる色素
7）[DOC]4　http://www.h.chiba-u.jp/florista/pigment/exkaki/4.doc
・アントシアニンの生合成経路
8）花卉園芸学汎論・5千葉大学園芸学部・花卉園芸学教室-　http://www.h.chiba-u.jp/florista/ando/hanron/05/hanron05.html