種の中には、発芽直後の芽生えを支えるための栄養が蓄えられています。イネやムギではデンプン、大豆ではタンパク質と油、ナタネやヒマワリでは油が多いなど、植物によって主な貯蔵物質は異なります。
では、同じ植物でも、育った季節や生育条件が違うと、種に蓄えられる栄養の量や組成が変わるのはなぜでしょうか。結論から言えば、種の貯蔵物質は、母植物が光合成や養分吸収で得た炭素・窒素などを、種子の形成・登熟期に運び込み、デンプン・油・タンパク質へ変換して蓄積するため、その時期の温度、水分、日射、窒素供給などが材料の量と代謝の進み方を変えるからです。
なお、成熟して乾燥した種の栄養が、保存中に季節ごとに大きく増減するという意味ではありません。大きな差が生まれるのは主に、母植物上で種がつくられ、栄養を蓄えている時期です。
種の栄養は発芽後の「最初の食料」になる
発芽したばかりの芽生えは、まだ葉を十分に広げて光合成できません。そのため、種子内に蓄えていた炭水化物、油、タンパク質などを分解して、呼吸のエネルギーや新しい細胞をつくる材料として使います。
種子の貯蔵物質には、デンプンのような炭水化物、トリアシルグリセロールを中心とする油、貯蔵タンパク質などがあります。その割合は植物種によって大きく異なります。穀類ではデンプン、豆類ではタンパク質、油糧作物では脂質の割合が高い傾向があります。
これらの物質は主に種子の成熟期に蓄積されます。つまり、種の中身は最初から完成しているのではなく、母植物から送られてくる物質をもとに、登熟の進行とともに作られていきます。
母植物の葉でつくられた糖が種へ運ばれる
種子に蓄えられる炭素の多くは、母植物の葉などで光合成によってつくられた糖に由来します。糖は主にショ糖の形で茎や果実を通って発達中の種子へ運ばれ、そこでデンプンや油などに変換されます。
この関係は「供給源（ソース）」と「受け取り先（シンク）」として説明されます。葉がソース、発達中の種子が強いシンクとして働きます。
したがって、葉が十分に光合成できるか、種へ糖を運ぶ維管束が正常に働くか、種子内部で糖をデンプンや油へ変換する酵素が働くかによって、最終的に蓄えられる量が変わります。
高温ではデンプンを蓄える反応が乱れることがある
温度は、種の栄養組成を変える重要な条件です。とくに種子が肥大している登熟期に高温になると、糖の輸送やデンプン合成に関わる代謝が乱れる場合があります。
農研機構のイネ研究では、出穂後の登熟期に高温処理すると、胚乳でデンプン粒の蓄積が阻害されました。高温条件では、デンプン合成に関わる遺伝子の発現低下や、デンプン分解側の反応増加、ショ糖利用の低下などが同時に起こることが示されています。
このため、十分な糖が種子へ届いていても、それを効率よくデンプンとして固定できなければ、種の中身や品質は変化します。温度は単に成長速度を変えるだけでなく、貯蔵物質を「何に変換するか」という代謝にも影響するのです。
低温でも登熟速度や成分比が変わる
高温だけでなく、低温も種子形成へ影響します。代謝酵素にはそれぞれ働きやすい温度範囲があるため、温度が低すぎると糖の移動や合成反応が遅くなります。
イネでは登熟温度によってアミロース含量が変わることが知られており、一般に低い温度ではアミロースが増え、高い温度では減る例があります。このように、同じ「デンプン」でも、その内部組成まで環境温度によって変化します。
したがって、季節による温度差は、種子が十分に肥大するかどうかだけでなく、最終的な炭水化物の組成や性質にも反映されます。
水不足は「材料をつくる力」と「種へ運ぶ力」の両方を弱める
乾燥も、種に蓄えられる栄養を変える大きな要因です。水不足になると、植物は気孔を閉じて水分損失を抑えます。しかし、その結果として二酸化炭素を取り込みにくくなり、光合成量が減ります。
光合成が低下すれば、種へ送れる糖の量も減ります。また、強い乾燥では葉の老化が早まったり、根からの無機養分吸収が低下したりすることがあります。
食用作物を対象としたレビューでも、登熟期の干ばつは種子サイズを小さくし、デンプン、油、タンパク質などの蓄積量や組成を変えることが報告されています。ただし影響の方向や大きさは植物種、品種、乾燥の強さ、発生時期によって異なります。
つまり「乾燥すると必ずタンパク質が減る」といった単純な規則ではなく、炭素と窒素の供給バランスがどう変化したかによって最終組成が決まります。
窒素の供給量は種子タンパク質に強く影響する
タンパク質をつくるには窒素が必要です。そのため、植物が土壌から吸収できる窒素量や、マメ科植物であれば根粒による窒素固定の状態が、種子タンパク質の量に影響します。
農研機構の小麦研究では、出穂後に窒素を追肥すると、その窒素がいったん茎葉に取り込まれ、その後子実へ転流して、子実タンパク質含有率が上昇しました。さらに、増えるタンパク質の種類にも偏りが見られています。
このことから、種子の「栄養量」は単なる総重量だけではなく、母植物が生育後半にどの栄養素を得られたかによって、タンパク質などの成分比まで変化すると分かります。
日射が少ないと、種へ送る炭素が不足しやすい
曇天が続いたり、周囲の植物に強く遮光されたりすると、葉の光合成量が低下します。すると発達中の種へ送るショ糖が減り、種子の肥大や貯蔵物質の蓄積が制限されることがあります。
特に種子形成期は、果実や種子が強いシンクとして大量の炭素を必要とする時期です。葉が老化して光合成能力が落ちる時期と、種子の要求量が最大になる時期が重なるため、日射量や葉の健康状態が最終的な種子重量に強く反映されます。
ただし、植物は茎や葉に一時的に蓄えていた炭水化物や窒素を種へ再移動させることもできます。そのため、一時的に光合成が落ちても、すぐ同じ割合で種の栄養が減るとは限りません。
種子の中ではデンプン・油・タンパク質への「配分」が行われる
母植物から届く炭素や窒素には限りがあります。種子はそれらを、デンプン、油、タンパク質などへ振り分けながら蓄積します。
この配分は遺伝的に強く決まっています。イネがデンプンを多く蓄え、大豆がタンパク質や油を多く蓄えるのは、種ごとの代謝経路や組織構造が異なるからです。
一方で、その遺伝的な枠の中でも、環境によって配分比率は変化します。高温で脂肪酸合成の反応が変わったり、乾燥で炭素供給が制限されたり、窒素が多い条件でタンパク質の割合が高くなったりします。
つまり、種の栄養組成は「遺伝だけ」でも「環境だけ」でもなく、遺伝的な貯蔵戦略と栽培・気象条件の相互作用で決まります。
母植物が経験した環境は、次世代の種子品質にも影響する
近年の種子生物学では、種子形成中の温度や水分などを「母性環境」として捉え、その影響が注目されています。種子の成熟期には炭水化物、脂質、タンパク質などの大部分が蓄積されるため、この時期の環境変化は最終的な種子品質へ直結します。
母植物が高温、乾燥、栄養不足などを経験すると、種子の大きさや栄養組成だけでなく、休眠性、発芽速度、乾燥耐性などが変化する場合もあります。
このため、同じ品種の種でも、採種地や採種年が違えば完全に同じ性質になるとは限りません。遺伝的には同じでも、形成された環境によって「どれだけ栄養をもって生まれるか」が変わるからです。
成熟した乾燥種子では、貯蔵物質は基本的に大きく増えない
ここで重要なのが、形成中の種子と成熟後の種子を区別することです。母植物とつながっている形成中の種子では、新しい糖、アミノ酸、脂肪酸の材料が供給され、貯蔵物質が増え続けます。
一方、成熟して乾燥し、母植物から離れた種子では、外から新しい栄養を取り込んで貯蔵量を増やすことは通常ありません。乾燥種子では代謝が非常に低く抑えられ、貯蔵物質は発芽時まで比較的安定して保たれます。
長期間の保存中には酸化や劣化が起こることがありますが、これは「季節によって栄養を蓄え直している」のではありません。そして発芽すると、蓄えていたデンプン、油、タンパク質は酵素で分解され、芽生えの成長に使われて減っていきます。
自然界では、季節による違いが種子の生存戦略にもつながる
種子形成に適した季節は植物によって異なります。十分な日射や水分がある時期に種を成熟させる植物もあれば、乾季の始まりに成熟して素早く乾燥する種をつくる植物もあります。
環境に合わせて種子の大きさや栄養量を調整できれば、親植物は限られた資源を効率よく次世代へ配分できます。条件がよい年には大きく栄養豊富な種をつくりやすく、厳しい年には一粒あたりの資源量が減ったり、種子数との配分が変わったりする可能性があります。
このような可塑性は、毎年同じ条件にならない自然環境で子孫を残すうえで意味があります。ただし、栄養量が多い種ほど常に有利とは限りません。大きな種を少数つくる戦略と、小さな種を多数つくる戦略には、それぞれ異なる利点があります。
農業では登熟期の環境管理が品質を左右する
コメのデンプン組成、小麦のタンパク質、大豆や油糧作物の油分などは、そのまま食味や加工適性、商品価値につながります。そのため農業では、開花後から成熟までの水管理、窒素施肥、播種時期、品種選択などが重要です。
例えば、高温登熟を避けるために作期を調整したり、小麦では必要な子実タンパク質を確保するため生育後半の窒素管理を行ったりします。ただし、窒素を増やせばよいというものではなく、倒伏、収量、環境負荷などとのバランスが必要です。
気候変動によって高温や干ばつの頻度が変われば、同じ品種でも種子成分の年次変動が大きくなる可能性があります。そのため、環境変化に対して品質が安定する品種の育成も重要になっています。
まとめ
種に蓄えられる栄養の量や組成が季節や生育条件によって変わるのは、種子形成・登熟期に、母植物から供給される炭素や窒素の量と、それらをデンプン・油・タンパク質へ変換する代謝が環境の影響を受けるからです。
高温はデンプン合成や脂質組成を変え、乾燥は光合成や養分吸収を弱め、窒素供給は種子タンパク質の蓄積に影響します。日射や葉の老化、品種の遺伝的性質も重要です。
種の栄養は、成熟後に季節ごとに作り替えられるのではなく、主に「種がつくられている時期の母植物の状態と環境」を記録した結果として変化すると考えると理解しやすいでしょう。
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参考資料
- 農研機構「イネ登熟期の高温が種子登熟代謝に及ぼす影響を示した高温登熟代謝アトラス」
- 農研機構「出穂後追肥による小麦子実タンパク質含有率とタンパク質組成の変化」
- Journal of Experimental Botany, Perspectives on embryo maturation and seed quality in a global climate change scenario
- Frontiers in Plant Science, Drought or/and Heat-Stress Effects on Seed Filling in Food Crops
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