秋になると、同じ場所に生えている木でも、鮮やかな赤になるもの、黄色のままのもの、赤くなっても色の濃さが違うものがあります。その差に大きく関わるのが、赤や紫の色をつくる色素「アントシアニン」です。
結論から言うと、紅葉のアントシアニン量や組成が樹種や環境によって違うのは、樹種ごとに色素をつくる遺伝的な仕組みが異なり、さらに光、気温、糖の蓄積、葉の老化の進み方などが、その合成を強く調節するからです。つまり「赤くなる能力」と「その年、その葉でどれだけ赤い色素をつくるか」の両方が関係しています。
紅葉の赤色は、葉の中で新しくつくられるアントシアニンによる
葉が緑色に見えるのは、光合成に使われるクロロフィルが多く含まれているためです。秋になって日が短くなり、気温が下がると、落葉樹では葉の老化が進み、クロロフィルが分解されていきます。
黄色いカロテノイドはもともと葉の中にあり、クロロフィルが減ることで目立ちやすくなります。一方、赤い紅葉をつくるアントシアニンは、秋に葉の中で新たに合成・蓄積される場合が多い色素です。東京大学の解説でも、カエデ類では秋にクロロフィルが分解される一方でアントシアニンが合成され、赤い色が現れると説明されています。
そのため、すべての落葉樹が同じように赤くなるわけではありません。イチョウのように主に黄色くなる樹種もあれば、カエデ類のように赤色が強く出やすい樹種もあります。
樹種によってアントシアニンの「つくりやすさ」と種類が違う
アントシアニンは一つの物質名ではなく、シアニジン系、デルフィニジン系など複数の化合物を含む色素群です。カエデ属を対象にした研究では、多数の分類群で複数種類のアントシアニンが検出され、その組み合わせには違いがあることが示されています。
これは、樹種や系統によって、アントシアニンをつくる酵素や、その酵素を働かせる遺伝子調節の仕組みが異なるためです。同じ「赤い紅葉」に見えても、含まれる色素の種類や割合がまったく同じとは限りません。
さらに、同じ樹種でも個体差があります。アメリカハナノキの研究では、個体によって秋のアントシアニン量にかなり差があり、その傾向は複数年にわたってある程度一貫していました。つまり、毎年の天候だけでなく、その木自身の性質も色づきに影響していると考えられます。
日当たりがよい葉ほど赤くなりやすいことがある
アントシアニンの合成は光の影響を強く受けます。枝の外側や樹冠の上部など、強い光を受ける葉のほうが、日陰の葉より赤くなる例はよく知られています。
秋の葉では、クロロフィルが減って光合成能力が低下しているにもかかわらず、晴天時には強い光が当たります。その状態では、吸収した光エネルギーを十分に使い切れず、光阻害や酸化的なストレスが起こりやすくなります。
アントシアニンは可視光の一部を吸収するため、葉の内部に届く強い光を和らげる働きがあると考えられています。北海道大学の研究では、ハウチワカエデの紅葉期について、光環境とアントシアニン、糖、デンプン、光合成特性などの関係が調べられています。また、海外の研究でも、日射が強い条件と低温が組み合わさると、アントシアニンによる光防御の意味が大きくなる可能性が論じられています。
「冷えれば冷えるほど赤い」わけではない
紅葉と気温には関係がありますが、単純に「寒いほどアントシアニンが増える」と考えるのは正確ではありません。
低温になると光合成反応が遅くなり、強い光との組み合わせで葉に負担がかかりやすくなります。そのため、適度な低温と十分な光は、赤い色が出やすい条件になり得ます。一方で、強すぎる冷え込みや霜、極端な乾燥などで葉が早く傷んだり落葉したりすると、色づく前に葉の機能が失われることもあります。
また、樹種間を広く比較した研究では、赤い紅葉をつくる種ほど必ず寒冷地に多い、という単純な関係は支持されていません。したがって、低温は重要な要因の一つですが、赤い紅葉の進化や樹種差を温度だけで説明することはできません。
糖の蓄積もアントシアニン合成に関わる
秋の葉では、葉と枝の境目に離層が形成され始め、物質の移動が変化します。さらに光合成やデンプン代謝の状態も変化するため、葉の中の糖濃度が高くなることがあります。
アントシアニンは糖を材料の一部として合成され、糖そのものも色素合成に関わる遺伝子の働きを調節します。そのため、よく晴れて糖がつくられ、夜間に気温が下がるような条件では、赤い色が鮮やかになりやすいと説明されることがあります。
ただし、糖が多ければ必ず赤くなるわけではありません。アントシアニンをつくる遺伝的な能力、葉の老化段階、光環境などがそろって初めて、実際の色づきとして現れます。
同じ木でも、葉ごとに色が違うのはなぜ？
一本の木の中でも、外側の葉は赤いのに内側の葉は黄色い、といった違いが見られます。これは、葉ごとに受ける光の量、温度、乾燥の程度、老化の進み方が違うためです。
アメリカハナノキの研究では、林冠の開け具合や土壌条件と、葉の老化時期やアントシアニン量との関連も報告されています。つまり、アントシアニン量は「樹種」だけで決まる固定値ではなく、同じ個体の中でも置かれた環境によって変わります。
アントシアニンは何のためにつくられるのか
秋のアントシアニンの役割として有力なのが「光防御仮説」です。葉が老化して光合成能力が落ちる時期に、アントシアニンが強い光を和らげることで、葉の細胞を守り、葉に残っている窒素などの栄養分を枝や幹へ回収する時間を確保する、という考え方です。
実際、アントシアニンをもつ葉と、もたない葉を比較した実験では、強い光の下での栄養回収をアントシアニンが助ける可能性が示されています。一方で、秋の赤色には植食性昆虫へのシグナルとしての意味があるという仮説もあり、進化的な役割については現在も議論があります。
最近の研究では、アントシアニンが単に「日傘」のように働くだけでなく、糖や炭素代謝のバランスに関わることで、葉の老化期の光合成や窒素回収を助ける可能性も提案されています。紅葉の赤色は、見た目の変化だけでなく、葉が落ちる直前の生理調節とも結びついているのです。
赤さの違いは「遺伝×環境×老化段階」で決まる
紅葉のアントシアニン量や種類が違う理由を整理すると、主に三つの層に分けられます。
- 遺伝的な違い：樹種や個体によって、合成できるアントシアニンの種類や、合成系を働かせる強さが異なる。
- 環境の違い：日射、気温、乾燥、土壌条件などが、色素合成や葉のストレス状態を変える。
- 葉の状態の違い：クロロフィル分解、糖やデンプンの代謝、老化の時期によって、アントシアニンをつくる条件が変わる。
したがって、「今年は寒かったから赤い」「この木はカエデだから必ず真っ赤になる」と一つの要因だけで説明するのは難しいのです。鮮やかな紅葉は、その木が持つ遺伝的な性質と、その秋に葉が経験した環境条件が重なった結果と考えるとわかりやすいでしょう。
まとめ
紅葉のアントシアニン量や組成に樹種差・環境差があるのは、樹種ごとに異なる色素合成の仕組みに、光、気温、糖代謝、葉の老化時期などが重なって作用するためです。
赤い紅葉は単にクロロフィルが消えて見えてくる色ではなく、多くの場合、秋の葉で新たにつくられたアントシアニンによって生じます。日当たりのよい葉が赤くなりやすかったり、同じ樹種でも年や個体によって色が違ったりするのは、この合成が環境条件に敏感だからです。
そして、アントシアニンには老化中の葉を強い光から守り、栄養回収を助ける役割があると考えられています。ただし、その進化的な意味には未解明な点も残っています。紅葉の赤さは、樹木の遺伝的特徴と秋の環境がつくる「生理的な結果」と見るのが現在の理解に近いと言えます。
関連記事
参考文献・参考資料
- 北海道大学「紅葉の仕組みとその役割について」
- The University of Tokyo “Why do maple trees turn red in autumn?”
- Renner & Zohner, New Phytologist: The occurrence of red and yellow autumn leaves explained by regional differences in insolation and temperature
- Anderson & Ryser: Early Autumn Senescence in Red Maple Is Associated with High Leaf Anthocyanin Content
コメント