アポプラスト

アポプラスト

アポプラスト（apoplast）とは、植物の細胞膜よりも外側に広がる、水溶液で満たされた空間の総体を指します。これは細胞壁の空間、細胞間のアポプラスト液で満たされた空間、そして水や養分の長距離輸送を担う木部（導管など）によって主に構成されます。ただし、根の細胞が規則的に並ぶ内皮に存在する、水分の通り道を遮断するカスパリー線や、細胞間の気相（空気で満たされた細胞間隙）、植物体の表面を保護するクチクラ層などは、アポプラストの定義から除外されます。

アポプラストは、細胞膜の内側すべてを指すシンプラストと対をなす概念であり、両者合わせて植物体の体積の大部分を占めています。この空間は、植物体内における水とその中に溶け込んだ様々な物質（溶質）の移動や拡散にとって不可欠な経路です。特に、このアポプラスト空間を通る物質輸送経路は「アポプラスト経路（apoplastic pathway）」と呼ばれ、植物の生理機能において極めて重要な役割を果たしています。

容積

アポプラストを構成する主要な要素の一つである細胞壁は、植物個体全体の体積の5～15%程度を占めると考えられています。活発に生長している大麦の細胞を例にとると、乾燥重量1gあたり約10mgのセルロースとその他の多糖類が含まれています。細胞壁内の溶液空間は、植物の総重量から予測される体積のおよそ10%に相当すると推定されており、その孔（アポプラスト液が満たされる隙間）の大きさは平均して5nm程度と考えられています。これらの孔は、水和した無機イオンの直径の約10倍の大きさを持つトンネル状の構造を形成していると予測されており、水に満たされて細胞膜の外側全体に張り巡らされています。

アポプラスト内の環境条件

アポプラストは、単なる物質の輸送路であるだけでなく、様々な生化学反応が行われる場でもあります。水溶液中の化学物質の反応性やその形態、そして起こりうる化学反応は、その水溶液の物理的・化学的条件に大きく依存します。したがって、植物にとってアポプラスト内の環境条件を適切に維持することは非常に重要であり、植物はこれを調節するための様々な仕組みを備えています。

温度

アポプラストを含む植物体内の温度は、ある程度制御されています。アポプラスト内の温度が高くなりすぎると、特に木部のアポプラスト液中に気泡が生じやすくなります。木部で気泡が発生すると、水の通り道が閉塞し、根から葉への長距離輸送が阻害される恐れがあります。植物体温の上昇は主に日光の照射や外気温の上昇によって引き起こされます。植物は、体温を下げるために、葉の気孔や草本植物の茎の気孔からの蒸散を促進させます。また、アポプラストを経由して土壌水分を輸送することは、周囲の気温に比べて一般的に低い土壌温度の水が蒸散に伴って蒸発する際の気化熱を利用した冷却効果があります。

反対に、植物体内の温度が低下しそうになった場合、発熱によって体温を調節する仕組みも存在します。特定の植物の花は、シアン耐性呼吸という特殊な呼吸によって熱を発生させることができます。この発熱はサリチル酸によって引き起こされ、サリチル酸を与えると花の温度が10℃以上上昇する例も知られています。また、他の例では、フクジュソウが低温にさらされたときに、細胞が積極的に発熱を行うことが観察されています。

相対湿度

アポプラストの含水率は、通常98%以上に維持されていると考えられています。これは、相対湿度98%における水の蒸気圧は浸透圧に換算して1.25MPa程度であり、植物細胞の持つ浸透圧はこれ以下であることが根拠とされています。相対湿度が98%を下回ると、細胞からアポプラストへ水が流出し、植物はしおれてしまいます。

pH

アポプラスト液のpHは、シンプラストのpHよりも低く、通常5〜6の範囲にあります。このpHは植物種による大きな差は少ないとされています。ただし、果実のように有機酸や糖を多く蓄積する組織のアポプラストでは、pHが3〜4とさらに低くなることがあります。アポプラストが低pHに保たれている主な理由は、細胞膜に存在するH+ATPase（プロトンポンプ）が、細胞内からアポプラストへ水素イオン（H+）を actively に汲み出しているためです。この水素イオンの放出は、細胞が外部から溶質（有機酸や糖など）を取り込む際に、水素イオンとの共輸送体を利用するためにも重要です。アポプラストのpHは、このH+ATPaseの働きと、細胞壁に存在するカルボキシル基によって調節されています。

アポプラストの低pHは、「酸生長説」との関連も示唆されています。実際に、植物ホルモンであるオーキシンを処理すると、細胞壁空間や導管などのアポプラストでpHが低下することが確認されています。また、多くの溶質を細胞内に輸送する水素イオン共輸送体は、アポプラストのpHにその活性が依存しており、この輸送系は糖や無機イオンの効率的な取り込みに不可欠です。緑色組織に光を照射するとアポプラストのpHが変化しますが、これは光によってH+ATPaseや他の水素イオン共輸送系の活性が変化するためと考えられています。

溶質と濃度

アポプラスト液中に溶解している無機イオンの濃度は数mM程度です。特にカリウムイオン（K+）とカルシウムイオン（Ca2+）が多く、次いでリン酸、マグネシウムイオン（Mg2+）、ナトリウムイオン（Na+）などが含まれます。これらのイオン濃度は、通常一定の範囲に維持されています。

カリウム濃度については、アポプラスト液の採取方法によって報告値に違いがあります。アポプラスト液を直接採取する方法では5〜10mM程度、K+電極を用いた方法では数十µM程度と報告されています。これは、細胞壁に存在する多くのカルボキシル基が陽イオンを結合する性質を持つため、採取方法によっては細胞壁に結合したイオンも一緒に測定されている可能性があると考えられています。

アポプラスト液中のイオン濃度は、特定のpH範囲では主に細胞壁のカルボキシル基によるイオンの結合・放出によって調節されます。それ以外のpH範囲では、細胞膜を介したイオンの輸送（細胞内外への出入り）や、維管束系（木部や師部）からの供給と転流が主要な濃度維持機構となります。シンプラスト液はアポプラスト液に比べて非常に高濃度であるため、シンプラストからのイオン輸送はアポプラスト液の濃度を効率的に変化させることができます。

リン酸濃度は、主に細胞内の液胞によって調節されています。液胞はリン酸を一時的に貯蔵し、必要に応じて放出することで細胞質のリン酸濃度を厳密に保ちます。アポプラスト液のリン酸濃度は、シンプラスト液ほどではないものの、比較的安定に維持されています。大麦の葉を用いた研究では、液胞内のリン酸濃度が約10mM以上であれば、培地中のリン酸濃度にかかわらずアポプラスト液の濃度が1〜2mMに維持されることが示されています。

アポプラスト輸送

アポプラスト経路とシンプラスト経路は、植物体内での水や溶質の主要な輸送経路です。アポプラスト輸送では、水や無機養分は地下部から地上部へ、また幹から枝葉へと主に木部（導管）の中を長距離移動します。木部の中の溶質は、途中で周囲の細胞に吸収されたり、師部へと輸送されたりします。アポプラスト経路で輸送される物質の濃度は、木部への流入量、細胞による吸収量、師部への輸出量によって決まります。一般的に、物質の輸送速度はシンプラスト経路よりもアポプラスト経路の方が速い傾向があります。これは、水が主に細胞内を通るよりも、組織全体のアポプラスト空間を通って活発に輸送されていることを示唆しています。

植物の主要な炭素源である二酸化炭素（CO2）が、光合成によって生体分子やエネルギーに変換されるためには、アポプラスト経路を通って細胞膜を越え、細胞内の葉緑体まで到達する必要があります。これは、光合成という生命維持に不可欠なプロセスにおいても、アポプラスト経路での輸送が必須であることを意味しています。土壌から根が吸収する無機栄養素（硝酸イオン、リン酸、カリウムイオン、鉄イオンなど）も、まず根の表皮細胞のアポプラスト空間に拡散します。その後、無機イオンはそれぞれのイオンに特異的な膜輸送体を介してシンプラスト（細胞内）に入るか、あるいは蒸散流によって木部を通って地下部から地上部へと引き上げられ、植物体の各部位へ輸送されます。同様に、地上部で大気中から取り込まれる酸素などの気体分子や、植物細胞内で合成された様々な化学物質（植物ホルモンやフェロモンなどを含む）も、アポプラスト経路を介して植物体内で輸送されることがあります。

アポプラスト経路は、不要な物質の排出にも関与しています。根によって吸収された無機物の一部は、木部への輸送に適さない場合があります。このような無機物は、中心柱に接する内皮細胞の細胞膜によってアポプラスト空間へ排出されることがあります。

水輸送

木部を構成する導管は、根から地上部へ、また茎（幹）から枝や葉へと水を効率的に長距離輸送します。枝葉から植物体の他の組織へは、転流と呼ばれる過程で水が輸送されます。

アポプラスト液のイオン濃度は、細胞とアポプラスト間のイオン輸送などによって精密に調節されています。アポプラスト液のイオン濃度の変化は、アポプラストの水ポテンシャルを大きく変化させ、細胞間の水移動に大きな影響を与えます。例えば、導管と周囲の柔細胞の間にあるアポプラストは、気孔の開閉やオジギソウの葉枕における膨圧運動に関わることが知られています。アポプラスト内では、導管からの距離によってイオン濃度に緩やかな勾配が生じており、この勾配によって水は導管からあたかも能動的に移動しているかのように細胞へ引き込まれます。この勾配は、アポプラストが非常に微小な空間であることによって強調され、短時間で完了する微小な運動（例えば、膨圧運動による葉の開閉）の迅速な応答に寄与しています。

合成と酵素反応

一部の植物ホルモンはアポプラスト内で合成されることが示唆されています。例えば、茎の伸長を促進する植物ホルモンであるインドール酢酸（IAA）は、細胞内部よりもアポプラストで高濃度に存在することが報告されており、アポプラストでの合成の可能性が指摘されています。大麦を用いた研究では、細胞内とは別に、細胞壁からもIAA合成酵素の活性が確認されています。

また、アポプラスト空間には様々な酵素が存在し、特定の生化学反応を触媒しています。

環境応答

植物の表皮細胞に囲まれたアポプラストは、外部環境と直接接触している最も外側の空間です。そのため、アポプラストは環境の変化やストレスを最も早く感知できる部位であり、これらの変化や問題に対して応答する上で重要な役割を果たします。また、アポプラストは植物体内で情報伝達物質が輸送される経路としても機能します。

病原体への抵抗性

イネ科植物の細胞壁には、細胞壁を分解する酵素であるグルカナーゼが結合して存在しています。イネ科植物は5種類のグルカナーゼを細胞壁に持ちますが、そのうち2種類は植物細胞壁には存在しない1,3-β-グルカンという構造を分解することができます。これらの植物に通常見られない基質を分解する酵素は、病原菌の細胞壁を分解するために存在すると考えられています。病原菌の細胞壁が分解されて生じる分解産物は、植物にとってシグナル分子として機能し、病原菌の侵入を知らせて植物自身の抵抗性応答や防御物質の合成を誘導します。

病原菌による攻撃に対する植物の抵抗性の初期段階として、「酸化バースト（oxidative burst）」と呼ばれる現象がアポプラストで起こります。これは、アポプラストにおける活性酸素種（ROS）の急激な生成を伴います。病原菌の攻撃を受けると、まず植物細胞膜上のNADPH酸化酵素によって超酸化物アニオンが生成されます。この超酸化物は、スーパーオキシドジスムターゼ（SOD）によって過酸化水素（H2O2）に変換されます。アポプラストにおける過酸化水素の供給源としては、このSODによる変換のほか、ペルオキシダーゼ、アミン酸化酵素、シュウ酸酸化酵素なども関与します。例えば、インゲンマメでは、過酸化水素が細胞壁に結合したペルオキシダーゼによって供給され、これによりアポプラストがアルカリ化し、還元剤が放出される現象が起こります。酸化バーストの過程でアポプラストは、細胞外からのCa2+とH+の流入、およびK+の流出によってアルカリ化されます。

気温変化への応答

気温が上昇した際、茎は土中から吸収された比較的温度の低い水によって冷却されます。草本植物の中には、葉だけでなく茎にも気孔を持つものがあり、土壌水分が豊富な場合は茎からの蒸散によっても冷却が行われます。土壌水分が不足した場合、草本植物はアポプラストに貯められた水を茎から蒸散させることで、葉や茎を冷却することができます。

無機物不足への耐性

土壌中の硝酸イオン（NO3-）が不足している条件下では、植物はアポプラストを酸性化させることで、細胞壁の伸展を促し、根の成長を刺激することが知られています。硝酸イオンの取り込み量が減少すると、代わりに塩化物イオン（Cl-）の取り込み量が増加しますが、これがアポプラストの酸性化を引き起こす引き金の一つであると考えられています。この酸性化には、H+ATPaseによるアポプラストへの水素イオン放出が中心的な役割を果たします。

無機物過剰への耐性

アポプラストは、植物がアルミニウム（Al）毒性に対して耐性を持つ上で重要な役割を果たします。アルミニウム耐性を持つ植物は、一般的にアポプラスト内のアルミニウム濃度を低下させるか、アルミニウムを不活性化するメカニズムを持っています。典型的な耐性機構としては、細胞壁のカチオン交換容量を低下させる、根の表面の負電荷を抑制する、あるいは根からの浸出液中にアルミニウムをキレート（結合）する物質を分泌して排出を促進する、といったものがあります。

また、アポプラストは植物がマンガン（Mn）過剰に対して耐性を持つためにも決定的に重要です。マンガンは細胞壁を通過してシンプラスト（細胞内）に侵入すると毒性を発揮しやすいため、細胞壁（アポプラストの一部）にマンガンを留めることが耐性に繋がります。キュウリを用いた研究では、マンガンと結合するケイ酸を細胞壁に導入することで、マンガンを細胞壁に捕捉し、アポプラストに留めることでマンガン耐性を獲得することが示されています。このため、キュウリがケイ酸ナトリウムを取り込むことは、マンガン耐性を向上させることが知られています。ササゲを用いた研究でも、細胞壁中のケイ素がマンガン耐性を高めることが実証されています。

アポプラスト液中に存在する水溶性マンガンは、アポプラストに存在するペルオキシダーゼ酵素を活性化させ、マンガン毒性を引き起こす可能性があります。活性化されたNADHペルオキシダーゼは、過酸化水素の生成を促進します。マンガン感受性の植物品種では、耐性品種と異なり、アポプラスト液中の水溶性マンガン濃度が高くなると、NADHペルオキシダーゼやグアイアコールペルオキシダーゼといった酵素の活性が高まることが観察されています。細胞壁のケイ素によってマンガンが効率的に捕捉され、アポプラスト液中の可溶性マンガン濃度が低下することは、マンガン耐性の向上に貢献します。

酸化ストレス耐性

植物体の特定の細胞で過剰な過酸化物が発生し、酸化ストレスを受けている場合、過酸化水素や超酸化物イオンはアポプラスト空間内を拡散し、隣接する細胞に危険が迫っていることを伝えるシグナルとして機能します。さらに、これらの活性酸素種の拡散はアポプラストを局所的にアルカリ化させることがあり、このアポプラストのアルカリ化は、木部（アポプラストの一部）を介して植物体の他の部位へと数分以内に広がり、全身獲得抵抗性（病原体に対する全身的な防御応答）の引き金となることが知られています。

研究方法

アポプラスト液は細胞膜の内側にあるシンプラスト液が混入しないように採取する必要があります。主な採取方法を以下に示します。

圧力チャンバー法: 植物の組織サンプルに圧力をかけて、押し出されてくる溶液を採取する方法です。ただし、この方法では導管液やシンプラスト液が混入する可能性があり、また採取できる量が少ないという欠点があります。
遠心分離法: 植物サンプルを軽く遠心分離（1,000×g程度）し、得られた上清をアポプラスト液とします。これも圧力チャンバー法と同様にシンプラスト液の混入リスクがあります。採取量を増やすために、遠心前にサンプルを適切なイオン濃度や浸透圧に調整した水溶液に浸透させ、細胞が損傷しないように十分に吸水させてから遠心することがあります。
洗液法: 表皮などを取り除いた植物サンプルを蒸留水などで洗浄し、その洗浄液をアポプラスト液として利用する方法です。他の方法に比べて、実際の植物体内での状態に近い値が得られる可能性が高いとされています。また、生きた植物で連続的にアポプラスト液の変化を測定することが可能ですが、直接測定できるイオンの種類が限られ、技術的な難易度が高いという側面もあります。
真空浸潤法: 植物サンプルを真空（例：-70kPaで5分間）にし、その後徐々に真空を解除することで、サンプル内に水溶液を浸潤させる方法です。その後、軽く遠心分離して得られた上清をアポプラスト洗浄液（Apoplastic Washing Fluid: AWF）と呼びます。シンプラスト液の混入量は、グルタチオンやグルコース6-リン酸など、細胞質に特異的な物質の濃度を測定することで評価されます。この方法は特に、アポプラスト液中に存在する酵素を抽出する際によく用いられます。

アポプラスト液中の無機イオンなどを測定する方法としては、以下のようなものがあります。

イオン電極法: アポプラスト液サンプルに直接イオン電極を差し込むか、あるいは植物サンプルに測定溶液を接触させてアポプラスト液と平衡させた後に電極を挿入して、特定のイオン濃度を測定します。これまでにpH、K+、Ca2+などの測定例があります。
蛍光色素法: 細胞膜を透過しない性質を持つ蛍光色素を、蒸散流や浸透法によって植物組織に導入し、蛍光強度の変化を測定します。pHに応じて蛍光強度が変化する色素を用いることで、アポプラストのpHを測定することができます。蛍光顕微鏡を用いると、アポプラスト内のpHの空間的な分布を推定することも可能です。蛍光色素を用いた手法は、pH測定のほか、植物体内での水の挙動の解析などにも応用されています。また、電子顕微鏡とX線顕微鏡を組み合わせることで、細胞壁におけるイオン分布を解析するといった方法もあります。

歴史

「アポプラスト」という用語は、1930年にドイツの植物生理学者エルンスト・ミュンヒ（Ernst Münch）によって初めて提唱されました。当初、アポプラストはシンプラスト以外の植物体内体積すべて、すなわち細胞壁と細胞間隙で構成される空間と定義されていました。当時は、この空間すべてにおいて水と溶質が自由に移動できると考えられていました。しかし、その後の研究により、根のカスパリー線や細胞間の気相（細胞間隙）、クチクラ層では水溶液が自由に移動できないことが明らかになりました。このため、現在ではこれらの例外を除外した空間として、アポプラストの定義が改められています。細胞膜よりも外側の体積全体を指す際には、「細胞外空間（extracellular space）」という用語が用いられます。

関連項目

シンプラスト
Vacuolar pathway

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