多くの植物の葉が緑色なのは、葉緑体にクロロフィルという色素が多く含まれているためです。クロロフィルは緑色を生み出すだけの色素ではなく、光合成で光エネルギーを受け取る中心的な役割を持っています。
葉の緑色が植物の成長や繁殖に関係するのは、緑色の原因であるクロロフィルが光を吸収し、光合成を通じて糖や炭素骨格をつくる仕組みを支えているからです。つくられた有機物は、新しい葉や茎、根をつくる材料やエネルギーになり、花、果実、種子を形成するためにも使われます。
ただし、「緑色そのもの」が成長や繁殖を起こしているわけではありません。大切なのは、葉が緑色に見える原因となっているクロロフィルと、それを含む光合成装置の働きです。また、葉が濃い緑色なら必ず光合成能力が高い、という単純な関係でもありません。
葉が緑色に見えるのはなぜか
植物の葉には、主にクロロフィルaとクロロフィルbが含まれています。これらは葉緑体のチラコイド膜にあるタンパク質やカロテノイドと複合体をつくり、光合成装置の一部として働きます。
クロロフィルは赤色や青色付近の光をよく吸収し、緑色付近の光は相対的に吸収されにくいため、反射・透過した光によって葉は緑色に見えます。
農研機構も、葉や茎が緑色に見えるのはクロロフィルが蓄積しているためであり、クロロフィルは光合成のために太陽光を吸収する役割を持つと説明しています。
クロロフィルは光合成のどこで働くのか
光合成では、まず光エネルギーを受け取り、そのエネルギーを使ってATPやNADPHなどをつくります。その後、空気中から取り込んだ二酸化炭素を固定して糖などの有機物を合成します。
クロロフィルは、この最初の「光を受け取る」段階で重要です。光化学系には多数のクロロフィル分子が配置され、光を集めるアンテナとして働くものと、反応中心で電荷分離に関わるものがあります。
つまり、クロロフィルが光を受け取れなければ、光合成に必要なエネルギー変換を十分に進めることができません。葉の緑色は、この光捕集装置が存在することを外見からある程度示す特徴でもあります。
光合成でつくられた物質は成長にどう使われるのか
光合成で固定された炭素は、糖としてそのまま使われるだけではありません。デンプンとして一時的に蓄えられたり、ショ糖としてほかの器官へ運ばれたりし、セルロース、脂質、アミノ酸など多くの物質をつくる出発点になります。
新しい葉を広げる、茎を伸ばす、根を増やす、幹を太らせるといった成長には、細胞をつくる材料とエネルギーが必要です。その多くは光合成によって得られた炭素資源に依存します。
そのため、クロロフィル量や光合成装置に大きな異常があると、十分な光エネルギーを利用できず、生育が遅くなることがあります。近年のクロロフィル欠損変異体に関するレビューでも、クロロフィル不足は光合成効率の低下と植物の成長・発達への大きな影響につながることがまとめられています。
葉の緑色は繁殖にも関係するのか
花を咲かせ、果実や種子をつくるにも大量の炭素とエネルギーが必要です。花粉や胚珠の形成、花弁や花序の成長、受精後の胚や種子の発達、果実の肥大などには、葉でつくられた光合成産物が使われます。
したがって、葉の光合成能力は繁殖を間接的に支えています。葉で十分な炭素を獲得できなければ、植物は成長だけでなく、花や種子へ配分できる資源も減ることがあります。
ただし、「葉が緑色だから繁殖できる」という直接的な因果ではありません。繁殖には、日長や温度による花成誘導、受粉、受精、ホルモン、栄養状態、水分など多くの要因が関係します。葉のクロロフィルは、そのうち資源供給を支える重要な要素の一つです。
緑色が濃い葉ほど光合成能力が高いのか
クロロフィル量が多い葉ほど濃い緑色に見えることがありますが、緑色の濃さと光合成能力が常に一対一で対応するわけではありません。
葉の見かけの色は、クロロフィル量だけでなく、葉の厚さ、細胞構造、ほかの色素、光の当たり方、水分状態などにも影響されます。また、光合成速度はクロロフィル量のほか、気孔の開き方、二酸化炭素濃度、温度、水分、Rubiscoなどの酵素量によっても変わります。
成熟して十分なクロロフィルを持つ葉では、クロロフィルだけをさらに増やしても光合成速度が比例して増えるとは限りません。光合成は、光の利用能力と二酸化炭素供給、酵素反応など複数の要因のうち、もっとも強く制限される部分で決まるからです。
クロロフィルbにも意味がある
被子植物ではクロロフィルaだけでなくクロロフィルbも重要です。クロロフィルbは、光を集めるアンテナタンパク質と関係し、吸収できる光の範囲や光化学系へのエネルギー供給を調整します。
クロロフィルbの量は光環境によって変化し、植物が日向や日陰へ順化するときの光捕集系の大きさにも関係します。
海外のレビューでは、クロロフィルbの合成量はアンテナ複合体の安定性、光エネルギーの捕集と熱散逸、電子伝達などに影響し、クロロフィルbの欠損は植物の生産性にも大きな影響を及ぼすと整理されています。
クロロフィルが不足するとどうなるのか
クロロフィルが十分につくられない葉は、淡い緑色、黄色、白色などに見えることがあります。このような状態は、遺伝的変異だけでなく、窒素、鉄、マグネシウムなどの栄養不足、低温、強光、乾燥、病害などさまざまな要因で起こります。
クロロフィル不足が大きいと、光を受け取る能力や光化学系の構造が損なわれ、光合成速度が低下します。その結果、植物が自分で生産できる有機物が減り、生育や収量へ影響することがあります。
ただし、黄色い葉を見て「クロロフィル不足だけが原因」と判断することはできません。根の障害や過湿、老化でも黄化は起こります。葉色は植物の状態を見る手がかりの一つですが、原因を特定するにはほかの症状や生育条件も確認する必要があります。
秋に葉が黄色くなっても、すぐに植物が弱るわけではない
落葉樹では秋になると葉の老化が進み、クロロフィルが分解されます。このとき葉の緑色は失われますが、これは必ずしも病気ではありません。
老化葉では、クロロフィルだけでなく光合成タンパク質も分解され、窒素などの資源が枝、幹、根などへ回収されます。日本植物生理学会の資料でも、クロロフィルは成長時に盛んに合成され、老化時には分解されてチラコイドタンパク質の回収を助けることが説明されています。
つまり、葉を緑色に保つこと自体がいつでも目的なのではありません。光合成による利益が小さくなる季節には、クロロフィルや葉を分解し、その資源を別の器官へ移すことも植物の生存戦略です。
葉以外の緑色にもクロロフィルはある
若い茎や未熟な果実などが緑色なのも、クロロフィルを含む葉緑体や、それに近い色素体を持つためです。これらの器官でも条件によっては光合成が行われます。
ただし、植物全体の炭素獲得では、多くの場合、広い面積を持つ葉が主要な役割を担います。葉は薄く広い形をしており、光を受け、二酸化炭素を取り込み、葉脈を通じて水を受け取る構造が光合成に適しています。
花が緑色ではないことが多いのはなぜか
葉ではクロロフィルを多く持つことが有利ですが、花弁では事情が違います。多くの花では、開花に近づくとクロロフィルが減少し、赤、黄、青など別の色素が目立つようになります。
農研機構は、多くの花で開花時にクロロフィルがほとんど残らないこと、葉の緑色を背景に鮮やかな花色を目立たせることが花粉媒介者を引きつけるうえで重要であると説明しています。
これは「緑色ならどの器官でも有利」というわけではないことを示しています。葉では光合成が主な役割なのでクロロフィルが重要ですが、花弁では受粉を助ける視覚信号として別の色が有利になることがあります。
斑入り葉の白い部分では何が起きているのか
斑入り植物では、一枚の葉の中に緑色部分と白色や黄色の部分があることがあります。白色部分ではクロロフィルが少ない、または葉緑体の発達が不十分であるため、緑色部分より光合成能力が低いことがあります。
そのため、斑入り葉は観賞上の特徴として好まれますが、同じ面積の完全な緑葉と比べると、光合成できる面積が小さくなる場合があります。
ただし、植物全体の成長は残っている緑色部分、葉の総面積、光条件、栄養、水分などにも左右されるため、斑入りであるだけで必ず生育不良になるわけではありません。
葉の緑色と成長・繁殖の関係を整理すると
| 段階 | クロロフィル・葉の役割 | 成長や繁殖との関係 |
|---|---|---|
| 光の吸収 | クロロフィルが光エネルギーを受け取る | 光合成を始めるためのエネルギー源になる |
| 光合成 | CO2から有機物をつくる | 糖や炭素骨格を供給する |
| 栄養成長 | 光合成産物を葉・茎・根へ配分 | 新しい組織の形成を支える |
| 繁殖成長 | 花・果実・種子へ光合成産物を配分 | 繁殖器官の形成と成熟を支える |
| 老化 | クロロフィルやタンパク質を分解 | 窒素などをほかの器官へ回収する |
「葉が緑色か」だけで植物の健康は判断できない
葉の緑色はクロロフィルの存在を示す重要な特徴ですが、それだけで植物の健康状態や将来の収量を判断することはできません。
葉が濃い緑色でも、乾燥によって気孔が閉じていれば二酸化炭素を十分に取り込めず、光合成速度が低下することがあります。逆に、もともと淡い緑色の品種でも、その色が正常な場合があります。
植物の状態を見るときは、葉色だけでなく、葉の大きさ、萎れ、斑点、根の状態、新芽の伸び、花や果実の形成、水分・栄養条件などを合わせて確認することが大切です。
まとめ
葉の緑色が植物の成長や繁殖に関係するのは、緑色の原因であるクロロフィルが光を吸収し、光合成による炭素とエネルギーの獲得を支えているためです。
光合成でつくられた有機物は、葉、茎、根をつくる栄養成長だけでなく、花、果実、種子をつくる繁殖成長にも使われます。そのため、クロロフィルや光合成装置に大きな異常があると、成長や繁殖に影響することがあります。
一方で、緑色そのものが成長を起こすわけではなく、濃い緑色ほど必ず健康というわけでもありません。葉の緑色は、植物が光エネルギーを利用する仕組みの一部が外見に表れたものとして理解すると、成長や繁殖との関係がわかりやすくなります。
参考文献・出典
- 日本植物生理学会「クロロフィル代謝の制御と植物の発育」
- 農研機構「クロロフィル」
- Li Z, et al. Advances in molecular mechanisms of genetic mutations underlying chlorophyll deficiency in plants.
- Voitsekhovskaja OV, Tyutereva EV. Chlorophyll b in angiosperms: Functions in photosynthesis, signaling and ontogenetic regulation.
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