HASEGAWA TSUYOSHI

長谷川 剛

Tsukuba Repository

植物の運動・重力屈性の鍵化学物質の探索
著者 長谷川 剛
発行年 2011
その他のタイトル Search for chemical substances controlling
gravitropism in plant movement
URL http://hdl.handle.net/2241/115369
 
様式 C-19 
科学研究費補助金研究成果報告書 
平成 23 年 6 月 1 日現在 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
機関番号：１２１０２ 
研究種目：若手研究（Ｂ） 
研究期間：2009～2010   
課題番号：21710218 
研究課題名（和文）植物の運動・重力屈性の鍵化学物質の探索  
                     
研究課題名（英文）Search for chemical substances controlling gravitropism in plant 
        movement 
研究代表者 
長谷川 剛（HASEGAWA TSUYOSHI） 
筑波大学・大学院生命環境科学研究科・研究員 
 研究者番号：40431655 
研究成果の概要（和文）：重力刺激によって誘導される成長抑制物質をダイコン黄化下胚軸とト
ウモロコシ黄化幼葉鞘から種々の精製手段を駆使して単離した。NMR や MS 等のスペクトル
解析等から、それぞれ  3,6'-disinapoylsucrose (DSS) と 2,4-dihydroxy-7-methoxy-1,4- 
benzoxazin-3-one（DIMBOA）と同定した。これらの物質はいずれも重力刺激後短時間で上側
組織で増量し、更にこれらをダイコン黄化下胚軸あるいはトウモロコシ黄化幼葉鞘の片側に投
与した場合、いずれも投与側の成長を抑制し、投与側に屈曲させた。これらの結果から、ダイ
コン黄化下胚軸やトウモロコシ黄化幼葉鞘の重力屈性は重力によって誘導される成長抑制物質
DSS や DIMBOA の偏差分布によって偏差成長が起こり、屈曲が誘導されることが示唆された。 
 
研究成果の概要（英文）：Gravity-induced growth inhibitors were isolated from etiolated radish 
hypocotyls and maize coleoptiles. The radish-derived and maize-derived inhibitors were determined to 
be 3,6’-disinapoylsucrose (DSS) and 2,4-dihydroxy-7-methoxy-1,4-benzoxazin-3-one (DIMBOA) by 
physicochemical analyses, respectively. When etiolated radish and maize seedlings were placed 
horizontally, the contents of DSS and DIMBOA rapidly increased in the upper halves of the radish 
hypocotyls and the maize coleoptiles, respectively. Unilateral application of DSS to the radish 
hypocotyls and DIMBOA to the maize coleoptiles caused both of them to bend toward the sites of 
application. This finding suggests that gravitropic stimulation suppresses the growth rates at the upper 
sides of etiolated radish hypocotyls and maize coleoptiles by increasing the contents of DSS and 
DIMBOA in the upper halves, causing gravitropic curvature.  
 
交付決定額 
                               （金額単位：円） 
 直接経費 間接経費 合 計 
2009 年度 2,800,000 840,000 3,640,000 
2010 年度 800,000 240,000 1,040,000 
年度  
年度  
  年度  
総 計 3,600,000 1,080,000 4,680,000 
 
 
研究分野：植物生理化学 
科研費の分科・細目：生物分子科学・生物分子科学 
キーワード：重力屈性、重力屈性鍵化学物質、成長抑制物質、ダイコン下胚軸、トウモロ            
コシ幼葉鞘、Cholodny-Went 説、Bruinsma-Hasegawa 説 
 
 
１．研究開始当初の背景 
(1) 植物の運動に関する研究の歴史は、1880
年に「種の起源」で有名な C.Darwin が書き
上げた"The power of movement in plants" 
から始まった。植物が刺激の方向に対して一
定の運動を示す現象を屈性(tropism) といい、
光や重力刺激に対する屈性をそれぞれ光屈
性(phototropism)と重力屈性(gravitropism) 
という。いずれの屈性反応も植物ホルモンの
オ－キシンの偏差分布によって引き起こさ
れるという Cholodny-Went 説(1937 年)によ
って説明されてきた。 
(2) しかし、20 世紀の後半になって、光屈性
の研究において、光側と影側組織におけるオ
－キシン量が精密な機器分析を用いて測定
された結果、オ－キシン量は光側、影側で均
等に分布することや、オ－キシン活性を抑制
する物質が光側で生成すること等が明らか
にされ、光屈性刺激により、光側組織におい
てオ－キシン活性抑制物質が生成され、この
物質の活性によって光側組織の成長抑制が
起こり、偏差成長が生じて屈曲するという
Bruinsma-Hasegawa 説 (1990 年 ) が提唱
された。筆者らはこれまで光屈性鍵化学物質
を多くの植物から単離・同定し、光屈性にお
けるそれらの分子機構を化学及び生物学的
手法を用いて明らかにしてきた。 
(3) 一方、重力屈性は例えば、茎の重力屈性
は上側から下側組織にオ－キシンが移動す
ることによって生じる下側組織の成長促進
によって引き起こされるという Cholodny- 
Went 説によって説明されてきた。しかし、
近年ダイコン黄化芽生えを用いた筆者らの
研究によって、重力屈性は下側組織の成長促
進は起こらず、上側組織の成長抑制によって
引き起こされることが明らかになった。従っ
て、重力屈性も光屈性と同様にオ－キシンの
偏差分布ではなく、成長抑制物質の偏差分布
によって引き起こされる可能性が出てきた。 
 
２．研究の目的 
重力屈性も光屈性と同様に成長抑制物質
の偏差分布によって引き起こされることが
示唆されたことから、本研究では以下の項目
について研究を行い、重力屈性鍵化学物質の
本体を解明する。 
(1) 重力刺激によって誘導される成長抑制物
質を徹底的に探索し、それらの化学構造を解
明する。 
(2) 重力屈性刺激に伴う、上側と下側組織に
おける成長抑制物質の分布変動を調べる。 
(3) 成長抑制物質を芽生えの片側組織に投与
し、人為的に成長抑制物質の偏差分布を誘導
し、投与側に屈曲するかどうか精査する。 
 
３．研究の方法 
(1) 重力刺激によって誘導される化学物質の
探索: 
 重力刺激 (地上 1ｇ、3 次元クリノスタッ
トによる擬似微小重力及び遠心機による過
重力 (500ｇ)下で生育) を与えた種々の黄化
植物 (双子葉植物としてダイコン、単子葉植
物としてトウモロコシを使用) から経時的に
茎をサンプリングし、含水有機溶媒で抽出し
た。抽出物を多波長及び蛍光検出器付きの
HPLC に供し、それぞれのクロマトグラムを
詳細に比較・検討した。地上 1ｇに比較して、
擬似微小重力で減少し、過重力で増量する化
学物質を徹底的に探索した。 
  具体的には、1ｇ下と３次元クリノスタッ
ト下を比較する実験ではダイコンの場合、桜
島ダイコンの種子を蒸留水で湿らせたロッ
クウ－ルの入ったアクリル箱に蒔き、3 次元
クリノスタット (大阪府立大学・上田純一教
授及び宮本健助教授所有) 下と地上重力 1ｇ
下で 23℃暗黒下で 4 日間栽培した。それぞれ
の黄化芽生えからフックから 2cm の下胚軸
を切り出し、秤量後抽出時まで－40℃で凍結
保存した。トウモロコシの場合は 23℃暗黒下
で 4日間栽培したトウモロコシ黄化芽生えを
1 日 3 次元クリノスタット下と 1ｇ下で培養
し、幼葉鞘 1cm を切り出し、秤量後抽出時ま
で－40℃で凍結保存した。1ｇ下と遠心機に
よる 500ｇ下との比較実験では、ダイコンの
場合、3 日齢の黄化芽生えを蒸留水で湿らせ
た遠心管に入れ、1 時間そのまま暗黒下で培
養したもの (1ｇ)と遠心機 (500ｇ)に供した
ものから下胚軸 2cm を切り出し、秤量後抽
出時まで－40℃で凍結保存した。トウモロコ
シの場合も 3 日齢の黄化芽生えを同様に処
理し、幼葉鞘 1cm を切り出し、秤量後－40℃
で凍結保存した。それぞれのサンプルを 10
倍量の 80% アセトン水溶液で抽出し、濾過
後減圧下 35℃で濃縮・乾固した。一定量のメ
タノ－ルに溶かし、HPLC (ODS-120A, 7.8x 
300 mm, 0-5 min; 0% CH3CN in H2O, 5-25 
min; linear gradient from 0 to 100% 
CH3CN in H2O , 2 mL/min, detector at 280 
nm and 320 nm)あるいは HPLC(ODS-120A, 
4.6x 250 mm, 1 mL/min, detector at 280 
nm and 320 nm)に供した。   
(2) 重力刺激によって誘導される化学物質の
単離と化学構造の解明: 
重力刺激によって変動を示す化学物質を
大量のダイコン黄化下胚軸  (1kg 生重量) 
及びトウモロコシ黄化幼葉鞘 (70g 生重量) 
から 80% アセトンで抽出し、濾過後減圧下
35℃で濃縮した。それぞれの濃縮物を C18
のセップパックカ－トリッジを用いて精製
した後、HPLC (ODS-120A, 7.8 x 300 mm, 
0-5 min; 0% CH3CN in H2O, 5-25 min; 
linear gradient from 0% to 100% CH3CN in 
H2O, 2 mL/min, detector at 280 nm and 
320 nm) で繰り返し精製を行った。単離した
物質の化学構造を解明するために、1H 及び
13C NMR(Bruker AVANCE500 spectrometer) 
及び negative ESI-MS spectrometer に供し
た。 
(3) 重力屈性に伴う重力刺激誘導化学物質の
動態の解析: 
重力刺激誘導化学物質の精密な定量方法
を確立し、重力屈性刺激に伴う茎の上側組織
と下側組織における重力刺激誘導化学物質
の分布変動を調べた。 
(4) 単離・同定した重力刺激誘導化学物質の
生理活性: 
単離した化学物質を各黄化芽生えの片側
に投与し、投与側に屈曲させることができる
か (重力屈性鍵化学物質であれば、茎の片側
に投与した場合、重力刺激を与えなくても投
与側への屈曲が認められる筈である) 精査し
た。 
 
以上の研究方法によって、ダイコンとトウ
モロコシ黄化芽生えの重力屈性を制御する
重力屈性鍵化学物質の本体を解明した。 
 
 
４．研究成果 
(1) ダイコン黄化芽生えにおける重力によっ
て誘導される化学物質の探索: 
  地上 1ｇ下と 3次元クリノスタットで作出
された擬似微小重力下で培養したダイコン
黄化下胚軸の HPLC クロマトグラムを比較
した。1ｇ下と比較して、擬似微小重力下で
減少するピークが 3 本検出された。次に、地
上 1ｇ下と遠心機によって作出された過重力
500ｇ下で培養したダイコン黄化下胚軸の
HPLC クロマトグラムを比較した。1ｇ下と
比較した場合、500ｇ下で 3 本のうち、1 本
のピ－ク(Rt.18 分, ODS-120A, 7.8×300mm, 
2mL/min) は増量したが、他の 2 本のピーク 
はほとんど変化がなかった。これらのことか
ら、次に、1g 下と比較して、擬似微小重力下
で減少し、過重力下で増量するピークの単
離・同定を行った。 
(2) ダイコン黄化下胚軸における重力誘導化
学物質の単離とその化学構造の解明: 
  重力刺激で増量する化学物質を大量のダ
イコン黄化下胚軸から種々の精製手段を駆
使して 4mg 単離することに成功した。この
物質の negative ESI-MS スペクトルから分
子式は C34H42O19(Exact Mass:754.23, Mol. 
Wt.:754.69)であり、1H NMR スペクトルデ
－タはδ(500MHz,CD3OD):3.30(1H, over- 
lapped,H-4'),3.52(1H,dd,Ｊ=3.9 and 9.0Hz, 
H-2'),3.62(1H,d,J=12.2Hz,H-1b),3.65(1H,d,
J=12.2Hz,H-1a),3.69(1H,t,J=9.0Hz,H-3'), 
3.80(1H,overlapped,H-6b),3.89(3H,s,OMe),
3.90(3H,s,OMe),3.90(1H,overlapped,H-6a), 
4.01(1H,m,H-5),4.25(1H,dd,Ｊ=7.3 and 11.6  
Hz,H-6'b),4.33(1H,m,H-5'),4.55(1H,t,Ｊ=8.1 
Hz,H-4),4.72(1H,dd,Ｊ=1.4 and 11.6Hz, H- 
6'a),5.55(1H,d,Ｊ=8.1Hz,H-3),5.56(1H,d,Ｊ
=2.8Hz,H-1'),6.49(1H,d,Ｊ=15.9Ｈz,H-8'''), 
6.50(1H,d,Ｊ=15.9Hz,H-8''), 6.93(2 H,s, H- 
2''and H-6''),6.96(2H,s,H-2'''and H-6'''),7.64   
(1H,d,Ｊ=15.9Hz,H-7'''),7.72(1H,d,Ｊ=15.9 
Hz,H-7'')であった。13C NMR スペクトルデ
－タはδ (125 MHz, CD3OD): 57.6 (OMe), 
57.7(OMe), 64.7(C-6), 66.4(C-6'), 66.5(C-1), 
72.8(C-4'),73.3(C-5'), 73.9(C-2'), 75.0(C-4), 
75.9(C-3'), 80.1(C-3), 85.2(C-5), 93.5 (C-1'), 
105.7 (C-2),105.7(C-2''and C-6''), 107.9(C- 
2''' and C-6'''),116.1(C-8'''),116.5(C-8''),127.1 
(C-1''),127.1(C-1'''),139.9(C-4''),139.9(C-4'''), 
148.1 (C-7'''), 148.8(C-7''), 150.3 (C-3''andC- 
5''),150.3(C-3'''and C-5'''),169.1(C-9''),169.9 
(C-9''')であった。これらのスペクトルデ－タ
から、ダイコン黄化下胚軸の重力誘導化学物
質は 3,6'-disinapoylsucrose (図 1)であること
が判明した。 
 
  
MeO
MeO
O
O
O
O
OHOH
OH
O
OH
OH
OHO
O
OH
OH
OMe
OMe
 
図 1  ダイコン黄化下胚軸の重力屈性鍵化学
物質 
 
(3) ダイコン黄化下胚軸の重力屈性に伴う
3,6’-disinapoylsucrose (DSS) の動態: 
  重力刺激 (芽生えを 90°横倒し) 開始から
60 分後までの黄化下胚軸の上側及び下側の
表皮組織中のDSS 量をHPLCを用いて測定
した。表 1 から明らかなように、上側の表皮
組織における DSS 量が重力屈性刺激開始後
30 分で増量し、一方、下側の表皮組織中の含
量は対照とほとんど変わらないことが分か
った。 
(4) DSS の生理活性: 
DSS をクレス幼根成長試験に供した場合、
1 mM 以上の濃度で幼根の成長を抑制した。
また、DSS をダイコン黄化芽生えの下胚軸
の片側に投与したところ、0.3μg 以上の投与
によって投与後 60 分で投与側に屈曲させる
ことが分かった。 
  (1) から(4)の結果から、ダイコン黄化下胚
軸の重力屈性は上側の表皮組織で成長抑制
物質 3,6'-disinapoylsucrose が重力刺激後短
時間で増量することによって、上側組織の成
長が抑制され、上方向に屈曲することが示唆
された。 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(5) トウモロコシ黄化幼葉鞘における重力誘
導化学物質の探索と同定: 
  4 日齢のトウモロコシ黄化芽生えを地上
における 1 ｇ 重力下と 3 次元クリノスタッ
トによって作出される擬似微小重力下及び
遠心機によって作出される過重力 (500ｇ)下
で培養した。それぞれの幼葉鞘 1 cm を切り
出し、 80% アセトンで抽出したものを
HPLC に供した。各サンプルの HPLC クロ
マトグラムを比較すると 1 ｇ下より、擬似微
小重力下で減少し、500ｇ下で増量するピ－
ク (Rt.18.6 分 , ODS-120A, 7.8× 300mm, 
2mL/min) が検出された。 
重力刺激によって増量する化学物質を大
量のトウモロコシ黄化幼葉鞘から種々の精
製手段を駆使して 2 mg 単離した。この化学
物質は以前筆者らが光照射によって増量す
る物質としてトウモロコシ幼葉鞘から単
離・同定した成長抑制物質 2,4-dihydroxy-7 
-methoxy-1,4-benzoxazin-3-one (DIMBOA、
図 2) と同一物質であることがスペクトル
解析等から明らかになった。 
 
       
MeO
N
O OH
O
OH  
図 2 トウモロコシ黄化幼葉鞘の重力屈性鍵 
化学物質 
表 1  
(6) トウモロコシ黄化幼葉鞘の重力屈性に伴
う DIMBOA の動態: 
3,6'-Disinapoylsucrose, μg/gFW eq.±SE.  
Plant materials 
Time after onset of gravistimulation (min) 
0          30           45       60   4 日齢のトウモロコシ黄化幼葉鞘の重力
屈性に伴う、上側及び下側組織における
DIMBOA の含量を HPLC で分析した結果、
重力屈性刺激開始後 30 分で下側組織に比べ
て、上側組織で DIMBOA が約 2 倍に増量す
ることが分かった。 
16Vertical    Left     .5±1.6  16.3±1.6  15.5±1.7  13.9±1.2 
1       Right   7.6±1.8  16.0±1.4  14.3±1.5  13.0±1.2 
29.5±2.9  23.5±2.2  20.0±2.1 
17.3±1.5  15.0±1.6  13.4±1.8
Horizontal Upper  
Lower 
(7) DIMBOA の生理活性： 
 DIMBOA をトウモロコシ黄化幼葉鞘の片
側に投与したところ、3μg 以上の投与によっ
て投与側に屈曲することが分かった。 
(5) から(7) の結果から、トウモロコシ黄
化幼葉鞘の重力屈性は上側組織で成長抑制
物質 DIMBOA が重力刺激後短時間で増量する
ことによって、上側組織の成長が抑制され、
上方に屈曲することが示唆された。 
以上、ダイコン黄化下胚軸及びトウモロコ
シ黄化幼葉鞘の重力屈性はいずれも成長抑
制物質が上側組織で増量することによって、
上側組織の成長が抑制され、上方向に屈曲す
ることが示唆され、茎の重力屈性も光屈性と
同様に成長抑制物質の偏差分布によって引
き起こされる可能性が示唆された。 
 
５．主な発表論文等 
（研究代表者、研究分担者及び連携研究者に
は下線） 
 
〔雑誌論文〕（計 1 件） 
1. T.Hasegawa, Wai  Wai  Thet  Tin,  H. 
Shigemori,  T.Otomatsu,  K.Hirose,  K.  
Miyamoto,  J. Ueda,  and  K.Hasegawa:  
Isolation and identification of  a  gravity- 
induced  growth  inhibitor  in  etiolated  
radish  hypocotyls. Heterocycles 81: 2763-  
2770 (2010). 
 
〔学会発表〕（計 2 件） 
1.T.Narisawa, K.Yamada, Moe Hninsi,  H. 
Nakajyo, T.Hasegawa, K.Hasegawa, and H.  
Shigemori: The role of isothiocyanate and 
its derivatives in the blue light-induced 
growth inhibition of radish hypocotyls. The 
Japanese Society for Chemical Regulation 
of Plants (Kobe, 1,2 November, 2010). 
2.T.Hasegawa, Wai  Wai  Thet  Tin,  H. 
Shigemori, K.Miyamoto, T.Otomatsu,  K. 
Hirose, J.Ueda, and K.Hasegawa: Isolation  
and  identification of  a  gravity-induced 
growth   inhibitor  in  etiolated  radish 
hypocotyls: Relevance to gravitropism. The 
Japanese Society for Chemical Regulation  
of Plants (Sendai, 29,30 October, 2009). 
 
〔図書〕（計 2 件） 
1. 長谷川剛・Wai Wai Thet Tin「最新  植
物生理化学」(長谷川宏司・広瀬克利編著、大
学教育出版、2011 年) pp.51-84. 
2. 長谷川剛  「博士教えてください -植物の
不思議」 (長谷川宏司・広瀬克利編著、大学
教育出版、2009 年) pp.33-42. 
 
 
６．研究組織 
(1)研究代表者 
 長谷川  剛 (HASEGAWA TSUYOSHI) 
 筑波大学・大学院生命環境科学研究科・研
究員    
 研究者番号：40431655 
      
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


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