植物には視覚器官がないのに、どうやって光の来る方向を知るのでしょうか？生物学と工学の専門知識を組み合わせた画期的な研究で、ローザンヌ大学（UNIL）のクリスチャン・ファンクハウザー教授（Christian Fankhauser）が率いるチームは、ローザンヌ連邦工科大学（EPFL）の同僚と共に、光感受性植物組織が空気と水の境界の光学的特性を利用して、植物に「見える」光の勾配を生成することを明らかにしました。
この結果は、2023年11月23日にScience誌に掲載されました。論文のタイトルは「空気チャンネルが定向性光信号を生成して子葉下部の向光性を調節する」（Air Channels Create a Directional Light Signal to Regulate Hypocotyl Phototropism）です。
生物の大多数（微生物、植物、動物）は、目に相当する視覚器官がなくても、光源の発生地を特定する能力を持っています。この情報は、自分自身を方向付けたり、環境内での最適な位置を決定するために非常に価値があります。特に植物にとって、光がどこから来ているかを知ることは重要で、この情報を使って、光合成の過程で化学エネルギーに変換する太陽光をより多く捕獲するために、自分たちの器官を位置付けます。これは、私たちが食べるほぼ全ての食料の生産に必要な、不可欠な過程です。
向光性を開始する光受容体は以前から知られていましたが、光感受性植物組織の光学的特性は、これまで謎でした。Science誌に掲載された多分野にわたる研究では、UNILの統合ゲノミクスセンターのディレクターで生物医学部教授でもあるクリスチャン・ファンクハウザー博士（Christian Fankhauser ,PhD）、EPFLのソーラーエネルギーおよび建築物理研究所の太陽光エネルギー変換ナノテクノロジー部門長であるアンドレアス・シューラー博士（Andreas Schüler, PhD）、およびUNILの電子顕微鏡センターのチームの専門知識を組み合わせて、植物が方向性のある光の手がかりを検出する驚くべき組織特性を明らかにしました。
「これはすべて、シロイヌナズナというモデル種の突然変異体の観察から始まりました。その茎は驚くべき透明さを持っていたのです」と、研究を主導したファンクハウザー教授は説明します。これらの植物は光に正しく反応しませんでした。そこで、UNILの生物学者は、変異体と野生型のサンプルの特定の光学的特性をさらに比較するために、EPFLの同僚であるシューラー教授のスキルを頼りにしました。「私たちは、若い野生植物の茎の天然の乳白色の外観が、実際には様々な組織に正確に位置する空気を含む間質チャネルの存在によるものであることを発見しました。変異体のサンプルでは、空気が水性液体に置き換わり、透明な外観を与えます」とこの研究者は続けます。
では、そのような空気充填チャネルはどのような目的を果たすのでしょうか？これらは、光感受性のある茎に光の勾配を確立することを可能にし、植物が光源の起源を決定することを可能にします。この現象は、空気と水が異なる屈折率を持つために起こり、これが光の散乱を引き起こします。この現象は、虹を鑑賞するときに私たち全員が観察したことがあるでしょう」と、ファンクハウザー教授のグループの博士研究員であり共同第一著者であるマルティナ・レグリス博士（Martina Legris, PhD ）は説明します。
彼らの研究により、研究者らは、生物が光の来る方向を知覚し、葉などの器官を最適に光合成のための光の捕獲に配置する新しいメカニズムを明らかにしました。また、この研究は、光の勾配を形成するだけでなく、植物において多くの機能を持つ空気で満たされた間質チャネルの形成についても理解を深めました。
他の用途として、これらのチャネルは気体交換を促進し、洪水時の低酸素状態（酸素量の減少）に抵抗することも可能にします。胚期から成熟期にかけてのこれらの構造の発達は、まだ非常に不明瞭です。この研究で使用された遺伝資源は、これらの興味深い構造の形成と維持をより理解するために役立つでしょう。
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