植物の生物音響学

植物の生物音響学とは、植物による音波の生成を指します。植物の音波放出の測定、発芽率、成長率、音に対する行動の変化など、植物の音波に対する反応は十分に文書化されています。[ 1 ]植物は、揮発性化学物質、光検知、直接接触、根からのシグナル伝達といった、確立されたコミュニケーションシグナル以外の手段で近隣植物を検知します。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]音波は土壌中を効率的に伝播し、最小限のエネルギー消費で生成できるため、植物は音を環境や周囲の状況を解釈する手段として利用している可能性があります。予備的な証拠は、植物が細胞壁を破壊する際に根の先端で音波を発生させることを裏付けています。[ 5 ]植物の根は、植物自身が発する音波と一致する周波数の音波にのみ反応するため、植物は音の振動を受信して​​信号に変換し、地下コミュニケーションの一形態として行動の変化を引き起こすことができると考えられます。[ 6 ]

音センサー

バズ受粉、あるいは超音波処理は、植物における特定の振動周波数に対する行動反応の一例です。ドデカテオンやヘリアムフォラを含む約2万種の植物[ 7 ]は、バズ受粉を進化させており、ハチの飛翔筋によってのみ生成される特定の周波数で振動した場合にのみ、葯から花粉を放出します。この振動により、花粉顆粒は運動エネルギーを得て、葯の孔から飛び出します[ 8 ] 。

マツヨイセンノウの花

ブンブン受粉と同様に、ミツバチの羽音やそれに類似した周波数の音に反応して、より甘い蜜を分泌することが知られているマツヨイセンノウの一種があります。オエノセラ・ドラムモンディ（Oenothera drummondii）は、アメリカ合衆国南東部原産の多年生亜低木ですが、ほぼすべての大陸に帰化しています。[ 9 ]この植物は海岸の砂丘や砂地に生育します。O . drummondiiの花は、ミツバチの羽音やそれに類似した周波数の人工音にさらされると、3分以内に著しく甘い蜜を分泌することが発見されています。[ 10 ]この行動の理由として考えられるのは、この植物が花粉媒介者が近くにいることを感知できる場合、別の花粉媒介者がその場に瞬間的にいる可能性が高いという事実です。受粉の可能性を高めるために、より糖度の高い蜜が分泌されます。この花は、細胞の細胞膜上に機械的振動を感知する機械受容器を持つ「耳」のような役割を果たしているのではないかという仮説があります。[ 10 ]

この背後にある可能性のあるメカニズムは、音波による機械受容器の活性化であり、これが植物細胞へのCa 2+の流入を引き起こし、植物細胞を脱分極させます[ 11 ]。花粉交配者の羽によって生成される特定の周波数のため、おそらく特定の量のCa 2+のみが細胞に入り、それが最終的に下流の効果に関係する植物ホルモンと遺伝子の発現を決定します。研究により、細胞内のCa 2+濃度のセンサーとなり得るカルモジュリンのような遺伝子があることが示されています。そのため、植物細胞内のCa 2+の量は、刺激に対する反応に大きな影響を与える可能性があります。[ 12 ]花弁で発現したホルモンと遺伝子のために、蜜への糖の輸送が約20％増加し、より高い周波数に曝露された花や全く音に曝露されなかった花の蜜と比較して、糖の濃度が高まりました。[ 10 ] LDV（レーザードップラー振動計）を用いて、録音によって花びらが振動するかどうかを調べた。花びらの速度は、ミツバチとガの鳴き声の信号と低周波フィードバックに対して測定されたが、高周波フィードバックに対しては測定されなかった。[ 10 ]

植物が音にさらされる前と後における蜜の糖濃度を測定した結果、低周波（蜂の羽ばたきに似た音）と蜂の音が再生された場合にのみ、糖濃度の有意な増加が観察された。[ 10 ]

花が花粉媒介者の振動を感知する器官であることを検証するため、花をガラス瓶で覆い、植物の残りの部分を露出させる実験が行われた。低周波音を再生する前後で、蜜の糖濃度に有意な差は見られなかった。[ 10 ]花びらが植物の耳のような役割を果たすならば、花の機械的パラメータには自然淘汰が働いているはずである。花の共鳴周波数は、大きさ、形状、密度に依存する。花粉媒介者に基づいて植物の特性を比較すると、「ノイズの多い」花粉媒介者を持つ花の形状にはパターンが見られる。ミツバチ、鳥、蝶など、それらが受粉する花はすべて、椀型または管状の花を持つ。[ 13 ]

音生成

植物は10～240 Hzの可聴音響放射と、20～300 kHzの超音波音響放射（UAE）を発する。植物の機械感覚能力の証拠は、根が一方向性の220 Hzの音にさらされ、その後振動源の方向に成長するときに示される。[ 6 ]電気記録振動検出を使用して、トウモロコシの植物の根の先端の伸長領域に沿って、大きく頻繁なクリック音の形で構造化された音波放射が検出されました。植物は、近隣の植物との接触、化学物質、および光信号の交換から隔離されている場合でも、代替メカニズムを通じて近隣の植物を感知し、親戚を検知することができ、その中で音の振動が重要な役割を果たしている可能性があります。さらに、超音波音響放射（UAE）は、高張力下で水柱が崩壊することによって生じるさまざまな植物で検出されています。[ 14 ] UAEの研究では、干ばつ状態の有無に基づいて音の放射の周波数が異なることが示されている。UAEが植物によってコミュニケーションメカニズムとして使用されているかどうかは不明です。[ 15 ]

アラビドプシスの側根のミオシン

植物における音波発生の明確なメカニズムは解明されていないものの、そのメカニズムを示唆する理論はいくつか存在する。帯電した細胞膜や細胞壁によって引き起こされる機械的振動は、音響放射発生の有力な仮説である。ミオシンやその他の機械化学酵素は、ATPという形で化学エネルギーを用いて細胞内に機械的振動を発生させるが、植物細胞における音波発生にも寄与している可能性がある。これらのメカニズムは、細胞骨格成分全体のナノメカニカル振動につながり、低周波と高周波の両方の振動を発生させる可能性がある。[ 6 ]

参照

参考文献

  1. ^ Gagliano M, Renton M, Duvdevani N, Timmins M, Mancuso S (2012). 「目に見えなくても忘れられない：植物における代替コミュニケーション手段」 . PLOS ONE . 7 (5) e37382. Bibcode : 2012PLoSO...737382G . doi : 10.1371/ journal.pone.0037382 . PMC  3358309. PMID  22629387 .
  2. ^ Smith H (2000年10月) . 「植物によるフィトクロムと光信号知覚 ― 新たな統合」. Nature . 407 (6804): 585–91 . Bibcode : 2000Natur.407..585S . doi : 10.1038/35036500 . PMID 11034200. S2CID 4418526 .  
  3. ^ Karban R, Shiojiri K (2009年6月). 「自己認識は植物のコミュニケーションと防御に影響を与える」 . Ecology Letters . 12 (6): 502–6 . Bibcode : 2009EcolL..12..502K . doi : 10.1111/j.1461-0248.2009.01313.x . PMC 3014537. PMID 19392712 .  
  4. ^ Pare PW, Tumlinson JH (1999年10月). 「植物の揮発性物質による昆虫食植物に対する防御」 . Plant Physiology . 121 (2): 325–32 . doi : 10.1104/pp.121.2.325 . PMC 1539229. PMID 10517823 .  
  5. ^ Gagliano M (2013年7月). 「緑の交響曲：植物における音響コミュニケーションに関する研究への呼びかけ」 .行動生態学. 24 (4): 789– 796. doi : 10.1093/beheco/ars206 . PMC 3677178. PMID 23754865 .  
  6. ^ a b c Gagliano M, Mancuso S, Robert D (2012年6月). 「植物の生物音響学の理解に向けて」. Trends in Plant Science . 17 (6): 323–5 . Bibcode : 2012TPS....17..323G . doi : 10.1016/j.tplants.2012.03.002 . PMID 22445066 . 
  7. ^ Gagliano, M. (2013). 「植物のバイオアコースティックスにおける開花：その仕組みと理由」 .行動生態学. 24 (4): 800– 801. doi : 10.1093/beheco/art021 . ... 例えば、約20,000種がブンブンという音による受粉を利用しています...
  8. ^ Buchmann SL, Hurley JP (1978年6月). 「被子植物におけるバズ受粉の生物物理学的モデル」. J​​ournal of Theoretical Biology . 72 (4): 639–57 . Bibcode : 1978JThBi..72..639B . doi : 10.1016/0022-5193(78)90277-1 . PMID 672247 . 
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  12. ^ Walley JW, Coughlan S, Hudson ME, Covington MF, Kaspi R, Banu G, Harmer SL, Dehesh K (2007年10月). 「機械的ストレスは新規シスエレメントを介して生物的および非生物的ストレス応答を誘導する」 . PLOS Genetics . 3 (10): 1800–12 . doi : 10.1371/journal.pgen.0030172 . PMC 2039767. PMID 17953483 .  
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