カルス (植物)

カルス：植物バイオテクノロジーの基盤

植物科学の分野において「カルス」という言葉は、特別な意味を持つ細胞の集合体を指します。これは、試験管内の固形培地などで人工的に培養されている、まだ特定の組織や器官に分化が進んでいない状態にある植物細胞の塊のことです。この未分化な細胞塊は、癒傷組織や癒合組織と呼ばれることもあります。

元々、カルスは植物体が傷を受けた際に、その傷口に自然に形成される未分化な組織を指す言葉でした。現在では、主に人為的な培養条件下で得られる細胞塊を指すことが一般的ですが、その本質はどちらも「分化していない植物細胞の集まり」という点で共通しています。

植物細胞の驚くべき能力：分化全能性

一度、根や葉、茎といった特定の機能を持つ細胞へと分化した後でも、植物細胞は再びあらゆる種類の細胞や組織、さらには完全な個体へと発生し得る潜在的な能力を持っています。この能力を「分化全能性」と呼びます。普段、成熟した分化細胞の多くは、細胞分裂を停止した「G0期」という特別な状態にありますが、適切な条件を与えられると、再び活発に分裂・増殖を始め、未分化な状態に戻ることができます。この過程を「脱分化」といい、カルスはまさにこの脱分化によって作り出された未分化細胞の集まりなのです。

脱分化させた細胞は、その周囲の環境、特に培地に含まれる植物ホルモンの種類や濃度バランスを調整することで、再び様々な方向へと分化を誘導することが可能になります。

カルスの作製方法

カルスを得るためには、通常、目的とする植物体の一部（葉、茎、根、花の一部など）を切り出し、栄養分と共に特定の植物ホルモン、特にオーキシンとサイトカイニンが適切な濃度で含まれた培地に置いて培養します。これにより、切り出した組織の細胞が脱分化を始め、盛んに分裂・増殖してカルスが形成されます。

このプロセスにおいて極めて重要なのは、徹底した無菌操作です。使用する植物材料から培地、器具に至るまで完全に滅菌し、微生物による汚染を防ぐ必要があります。また、カルスの形成を誘導するために最適な植物ホルモンの種類や濃度、あるいは必要とされる糖や窒素源といった栄養条件は、植物の種類や利用する組織の種類によって大きく異なります。そのため、植物種ごとに最適な培養条件を検討することが必要となります。

カルスの多彩な利用法

カルスが持つ分化全能性や培養の容易さは、植物に関する研究や産業において様々な形で活用されています。

1. 組織培養による植物個体の再生
カルスを、オーキシンとサイトカイニンの濃度バランスを変えた新しい培地に移すと、再び細胞の分化が始まります。例えば、サイトカイニンに対するオーキシンの濃度が高い培地では根の形成が促進され、逆にサイトカイニンの濃度が高い培地では不定芽の形成が誘導されます。このように培地のホルモンバランスを適切に制御することで、カルスから最終的には根、茎、葉を備えた完全な植物体へと再生させることが可能です。
この方法で再生された植物は、元の植物体の一部から得られたカルス由来であるため、原則として元の植物と遺伝的に全く同じ、いわゆるクローンとなります。
しかし、カルスを経由した再生個体では、培養中に遺伝的な変異（培養変異）が比較的高い頻度で発生することが知られています。そのため、完全に均一な性質を持つ品種を大量に増殖したい場合には、カルス化を経由せず、茎葉などの器官の形態を保ったまま増殖させる方法が選ばれることが多いです。オーキシンが分化にどのように関わるかについては、まだ不明な点も多く残されています。

2. 細胞融合による新しい雑種の作出
植物細胞は強固な細胞壁に囲まれていますが、セルラーゼなどの酵素処理によって細胞壁を取り除くと、「プロトプラスト」と呼ばれる丸裸の状態の細胞になります。異なる種類の植物から得たプロトプラストを混ぜ合わせ、ポリエチレングリコール（PEG）処理や電気パルスなどの刺激を与えることで、プロトプラスト同士を融合させることが可能です。これが細胞融合技術です。
異種間のプロトプラストが融合してできた細胞を「雑種細胞」と呼びます。この雑種細胞は再び細胞壁を再生した後、分裂・増殖してカルスを形成します。この雑種カルスから組織培養の手法を用いて植物体を再生することで、両親の特性を併せ持つ可能性のある新しい雑種植物を作り出すことができます。この方法は、通常の交配では雑種ができないような遠縁の植物間でも試みることが可能です。
細胞融合によって作出された例としては、ジャガイモとトマトの雑種である「ポマト」や、ハクサイとキャベツの「ハクラン」などが知られています。ただし、遠縁の植物間の融合では、染色体の不安定化による欠失や、再生した植物が稔性を持たない（種子を作れない）といった問題が多く発生し、実用的な品種が得られるケースは限られています。

3. 遺伝子組み換え作物の開発
カルスは、遺伝子組み換え技術を用いて新しい特性を持つ作物を開発する際にも非常に重要な材料となります。
広く用いられる手法の一つに、アグロバクテリウムという土壌細菌を利用する方法があります。アグロバクテリウムはある種の植物細胞に感染し、自身の持つプラスミド（環状DNA）の一部を植物細胞の染色体内に組み込む性質を持っています。この性質を利用して、導入したい目的の遺伝子をアグロバクテリウムのプラスミドに組み込み、これを植物細胞に感染させます。
遺伝子を次世代に伝えるためには、生殖細胞を含む植物体全体に導入遺伝子が行き渡るか、あるいは感染した細胞から植物体を再生する必要があります。そこで、感染処理を行った植物組織からカルスを誘導したり、直接カルス細胞にアグロバクテリウムを感染させたりする方法が取られます。遺伝子が染色体に安定して組み込まれたカルス細胞を選び出し、これを再び組織培養によって完全な植物体へと再生させます。
こうして得られた植物体は、目的の遺伝子を安定的に持ち、それを子孫にも伝えることができる遺伝子組み換え作物となります。

結び

カルスは、植物細胞の持つ驚異的な分化全能性を引き出し、活用するための鍵となる存在です。基礎的な植物研究から、病気に強い品種や栄養価の高い品種の開発、さらには新しい植物種の創出に至るまで、現代の植物科学、特に植物バイオテクノロジーの様々な分野において、カルスは欠かせない材料としてその役割を果たしています。

もう一度検索