植物の葉は、ただ枝や茎についているだけではありません。葉がどの方向を向き、どの角度で光を受けるかによって、一枚の葉が受け取る光の量だけでなく、植物全体の中で光がどこまで届くかも変わります。
葉の光への向きが成長や繁殖に重要なのは、光を効率よく受け取ること、強すぎる光や高温を避けること、植物体内で光を分配することを通じて、光合成と水分状態を調節し、最終的な炭素獲得を支えるからです。光合成で得られた炭素は、新しい葉・茎・根の成長だけでなく、花・果実・種子の形成にも使われます。
ただし、「葉は太陽へ正面を向けるほどよい」という単純な関係ではありません。弱い光では光を多く受ける向きが有利になる一方、真昼の強光や乾燥時には、葉を立てたり太陽光線と平行に近づけたりして受光量を減らす方が有利になることがあります。
葉の向きが変わると受ける光の量も変わる
葉が受け取る光の量は、光の強さだけでなく、葉面と光線の角度によって変わります。葉面が光線に対して正面に近いほど、同じ面積でも多くの光を受けやすくなります。
そのため、朝夕のように太陽が低い時間帯に葉を光の方向へ向けると、弱い光を効率よく受け取れる場合があります。一方、真昼に太陽が高くなり日射が強くなると、葉を立てて受光面積を減らすことで、過剰な光を避けられる場合があります。
ダイズを用いた日本の研究では、日中に小葉の傾斜角度が大きくなると葉面の受光量が低下しましたが、強い日射条件でも個葉の光合成速度は維持され、葉の水ポテンシャルも高く保たれる傾向が示されました。葉の向きは、光を増やすだけでなく、必要以上の光を避ける調節にも使われているのです。
光を多く受ける向きは成長にどう役立つのか
光合成では、葉緑体が光エネルギーを受け取り、二酸化炭素から有機物をつくります。光が不足している条件では、葉がより多くの光を受けられる向きをとることで、光合成に利用できるエネルギーを増やせます。
光合成で固定された炭素は、糖として植物体内を運ばれ、新しい葉、茎、根などをつくる材料やエネルギーになります。したがって、葉の向きが光獲得を改善すれば、条件によっては植物全体の炭素獲得量と成長量を高めることにつながります。
ただし、すでに光合成が光飽和に達している葉では、さらに光を受けても光合成速度はほとんど増えません。その場合は、光を最大化するより、熱や乾燥の負担を減らす方が有利になることがあります。
強すぎる光を避ける向きも重要
葉が利用できる量を超える強い光を受けると、余った光エネルギーが光合成装置へ負担をかけます。これが続くと光阻害が起こり、光化学系の働きが低下することがあります。
強光時に葉面を太陽光線と平行に近づける運動は、paraheliotropismと呼ばれます。この動きによって葉が受ける光と熱を減らすことができます。
Siratroというマメ科植物の研究では、乾燥した葉がparaheliotropicな向きをとることで、過剰な光と高い葉温による光合成系への損傷を軽減することが示されています。水不足のときには、光を多く受けることよりも光合成装置を守ることが、その後の炭素獲得を維持するうえで重要になります。
葉の向きは水分維持にも関係する
直射日光を強く受ける葉は温度が上がりやすく、葉と空気の水蒸気圧差が大きくなると蒸散も増えます。根からの吸水が追いつかないと、葉の水分状態が悪化し、気孔が閉じて光合成が低下します。
葉を立てて受光量を減らせば、葉温上昇や蒸散を抑えやすくなります。日本のダイズ研究でも、葉の動きを妨げた区では葉の水ポテンシャルが低下する傾向が見られました。
海外のダイズ研究でも、日中の葉の追日・避日運動は、乾燥条件下でのガス交換、水利用効率、葉面積、莢や穀粒生産に関係していました。葉の向きは、炭素獲得と水分節約のバランスを調節する仕組みの一つです。
一枚の葉だけでなく植物全体の光分配が重要
植物にとって、最上部の一枚の葉だけが最大の光を受ければよいわけではありません。上の葉が水平に広がって光をほとんど吸収すると、その下の葉は強い日陰になります。
上部の葉がやや立っていると、光の一部が下層まで届きやすくなります。その結果、上部の葉だけに光が集中せず、群落全体でより均等に光を利用できる場合があります。
イネやトウモロコシなどの作物では、葉角度は群落構造を決める重要な形質です。海外のレビューでは、上部の葉が直立気味になることで高密度条件でも群落内部へ光を通し、群落光合成や収量を高められる例がまとめられています。
「葉を立てる」と受光量が減るのに、なぜ収量が増えることがあるのか
一枚の葉だけを見ると、葉を立てれば真昼の受光量が減ることがあります。しかし、植物群落では評価の基準が違います。
上層葉が強光を受けすぎても、その葉の光合成はやがて飽和します。一方、下層葉が暗すぎると光合成量は小さくなります。そこで上層葉を立て、光を下層へ分配すると、植物全体で利用できる光の割合を高められる場合があります。
この考え方は作物育種でも利用されてきました。直立した葉を持つイネやトウモロコシでは、密植時に葉同士の重なりを減らし、下層への光透過と群落光合成を改善することが期待できます。
葉の向きには「固定された角度」と「動く角度」がある
葉の向きには、大きく分けて二つのタイプがあります。一つは、葉が発達するときに決まる比較的固定的な葉角度です。もう一つは、成熟した葉が一日の中で向きを変える可逆的な葉運動です。
イネやトウモロコシのような作物では、葉身と茎のなす角度が群落構造に大きく関係します。この角度は葉の発達過程で形成され、植物ホルモンや遺伝的要因の影響を受けます。
一方、マメ科など一部の植物では、葉柄や小葉の付け根にある葉枕の膨圧を変えることで、数十分から数時間の間に葉の向きを変えられます。この可逆的な運動によって、朝は光を多く受け、真昼は強光を避けるといった調節が可能になります。
光を追う動きと避ける動きはどちらが正しいのか
どちらか一方が常に正しいわけではありません。光が弱いときには、葉面を光源へ向けるdiaheliotropismが炭素獲得に有利になることがあります。
一方、日射が強く、空気や土壌が乾燥しているときには、paraheliotropismによって受光を減らす方が、葉温、水分状態、光合成装置を守るうえで有利になることがあります。
ダイズの研究では、乾燥条件によってdiaheliotropicな動きとparaheliotropicな動きのバランスが変化し、光合成、水利用効率、生産量にも影響していました。葉の向きは「最大受光」ではなく、「その環境で最も有利な炭素収支」を目指して調節されると考えるとわかりやすくなります。
葉の向きは繁殖にどう関係するのか
葉の向きが花芽形成や受精を直接起こすわけではありません。繁殖には日長、温度、植物ホルモン、受粉など多くの要因が関係します。
しかし、花、果実、種子を形成するには大量の炭素とエネルギーが必要です。成熟葉で光合成された糖は師部を通って繁殖器官へ運ばれます。そのため、葉の向きが群落全体の光合成や水分維持を改善すれば、結果として繁殖に使える炭素資源を確保しやすくなります。
作物では、この間接効果が収量として観察されます。葉角度を含む群落構造を改善することで、密植条件でも光を効率よく利用し、穀粒収量を高められる場合があります。
葉の向きが良ければ必ず収量が増えるのか
葉の角度には最適値が一つだけあるわけではありません。低密度で孤立して育つ植物では、一枚ずつ多くの光を受ける水平葉が有利な場合があります。一方、高密度の群落では、上部葉を立てて下層へ光を通す方が有利になることがあります。
また、曇天が多い環境では光を減らす向きは不利になる可能性があります。反対に、強光・高温・乾燥が続く場所では、過剰な受光を避ける角度が有利になることがあります。
したがって、葉の向きの効果は、植物種、栽植密度、太陽高度、日射量、水分条件、葉面積などとの組み合わせで決まります。
葉の向きと成長・繁殖の関係を整理すると
| 葉の向きの働き | 直接起こること | 成長・繁殖との関係 |
|---|---|---|
| 弱光で光へ向く | 葉面の受光量を増やす | 光合成と炭素獲得を高める場合がある |
| 強光で葉を立てる | 過剰な受光と葉温上昇を抑える | 光阻害や水分ストレスを避ける |
| 群落上部の葉を直立させる | 下層まで光を通す | 群落全体の光合成を高める場合がある |
| 葉運動で日中の角度を変える | 受光・蒸散を時間帯ごとに調節する | 炭素獲得と水利用のバランスを支える |
| 炭素獲得を維持する | 光合成産物を確保する | 葉・茎・根・花・果実・種子の形成を支える |
まとめ
葉の光への向きが成長や繁殖に重要なのは、葉が受ける光の量と分布、葉温、水分損失を調節し、個々の葉と植物全体の光合成を環境に合わせて保つからです。
弱い光では光へ向くことで炭素獲得を増やせる場合があります。一方、強光や乾燥時には葉を立てて過剰な光と高温を避けることが、光合成装置と水分状態を守るうえで重要になります。
さらに、群落では葉を適度に立てることで上層だけに光が集中するのを防ぎ、下層まで光を分配できます。このため葉角度は作物の群落光合成や収量にも関わります。葉の向きは、単に「太陽を向く」性質ではなく、光を受けることと避けることを使い分けながら、成長と繁殖を支える重要な形態・運動特性なのです。
参考文献・出典
- 斎藤邦行ほか「ダイズ複葉の運動と環境条件との関係 第4報 個葉の葉面受光」日本作物学会紀事
- Daily heliotropic movements assist gas exchange and productive responses in DREB1A soybean plants under drought stress in the greenhouse.
- Paraheliotropic leaf movement in Siratro as a protective mechanism against drought-induced damage to primary photosynthetic reactions.
- Leaf angle: a target of genetic improvement in cereal crops tailored for high-density planting.
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