光は植物に光合成に必要なエネルギーを与え、有機物を生産し、成長と発達の過程でエネルギーを変換する光は植物に必要なエネルギーを提供し、細胞分裂と分化、クロロフィル合成、組織成長、気孔運動の基礎となります。これらのプロセスでは、光の強度、光周期、光質が重要な役割を果たします。植物の糖代謝には多くの調節機構が関与しています。光は調節因子の1つとして、細胞壁の構成、デンプン顆粒、スクロース合成、維管束の形成に影響を与えます。同様に、光調節糖代謝においては、糖の種類と遺伝子も影響を受けます。既存のデータベースを調べたところ、関連するレビューはほとんど見つかりませんでした。そのため、本稿では、光が植物の成長と発育、および糖代謝に及ぼす影響をまとめ、植物に対する光の影響のメカニズムをより詳細に考察し、さまざまな光条件下での植物成長の調節機構に関する新たな知見を提供します。
光は植物の光合成にエネルギーを提供し、植物生理のさまざまな側面を制御する環境シグナルとして機能します。植物は、フィトクロムやフォトトロピンなどのさまざまな光受容体を介して外部の光条件の変化を感知し、適切なシグナル伝達経路を確立して成長と発育を制御します。低光条件下では、植物の総乾物含有量が減少し、光合成速度、蒸散速度、気孔コンダクタンス、および茎の直径も減少します。さらに、光強度は、植物の発芽、葉の増殖と展開、気孔の発達、光合成、細胞分裂などのプロセスを制御する重要な変数です。光受容体を介して伝達される光の質は植物のライフサイクル全体を制御しており、異なる光の質は植物の形態、光合成、成長、器官の発達に異なる影響を及ぼします。植物は、種子の発芽、開花、果実の成熟などのプロセスを促進する光周期に応じて成長と発育を制御することができます。また、さまざまな季節の変化に適応し、悪影響要因に対する植物の反応にも関与しています (Bao et al., 2024; Chen et al., 2024; Shibaeva et al., 2024)。
植物の成長と発達に不可欠な物質である糖は、複雑な輸送・蓄積過程を経て、多くの因子の影響を受け、制御されています。植物における糖代謝は、植物における糖の合成、異化、利用、そして変換を網羅しており、ショ糖輸送、シグナル伝達、デンプンおよびセルロースの合成などが含まれます（Kudo et al., 2023; Li et al., 2023b; Lo Piccolo et al., 2024）。糖代謝は、糖を効率的に利用・制御し、環境変化への植物の適応に関与し、植物の成長と発達に必要なエネルギーを供給します。光は、光合成、糖シグナル伝達、そして光周期調節を介して植物の糖代謝に影響を与え、光条件の変化は植物代謝物の変化を引き起こします（Lopes et al., 2024; Zhang et al., 2024）。本レビューでは、光が植物の光合成能力、成長と発達、そして糖代謝に及ぼす影響に焦点を当てます。本稿では、光が植物の生理学的特性に及ぼす影響に関する研究の進展についても考察し、光を用いて植物の成長を制御し、収量と品質を向上させるための理論的根拠を提供することを目的としています。光と植物の成長の関係は未だ解明されておらず、今後の研究の方向性を示唆しています。
光には多くの特性がありますが、植物に最も大きな影響を与えるのは強度と質です。光強度は、光源の明るさや光線の強さを測定するために一般的に用いられます。波長に基づいて、光は紫外線、可視光線、赤外線に分類されます。可視光線はさらに、赤、橙、黄、緑、青、藍、紫に分類されます。植物は主に赤色と青色の光を光合成の主要エネルギーとして吸収します（Liang et al., 2021）。
しかし、圃場での異なる光質の適用、光周期の制御、および光強度変化が植物に及ぼす影響は、解決が必要な複雑な問題です。そのため、光条件の合理的な使用は、植物モデリング生態学の発展と物質とエネルギーのカスケード利用を効果的に促進し、植物の成長効率と環境への利益を向上させることができると考えています。生態学的最適化理論を用いて、植物光合成の中長期光への適応性を地球システムモデルに組み込むことで、光合成モデリングの不確実性を低減し、モデルの精度を向上させることができます（Luo and Keenan, 2020）。植物は中長期光に適応する傾向があり、中長期的な光合成能力と光エネルギー利用効率を向上させることができ、圃場栽培の生態学的モデリングをより効果的に実現できます。さらに、圃場での植栽に適用する際には、植物の種類や生育特性に応じて光強度を調整し、健全な植物の成長を促進します。同時に、光の質の比率を調整し、自然の光サイクルをシミュレートすることで、植物の開花や結実を加速または減速することができ、フィールドモデリングのより正確な生態学的制御を実現します。
植物における光調節性糖代謝は、植物の成長と発育、環境ストレス要因への適応および抵抗性の向上に寄与します。シグナル分子としての糖は、他のシグナル分子（例：植物ホルモン）と相互作用することで植物の成長と発育を制御し、それによって植物の生理学的プロセスに影響を与えます（Mukarram et al., 2023）。私たちは、光環境と植物の成長および糖代謝を結び付ける制御メカニズムの研究が、育種および生産慣行を導く効果的な経済戦略になると考えています。技術の発展に伴い、人工照明技術やLEDの使用など、光源の選択に関する将来的な研究を実施することで、照明効率と植物収量を向上させ、植物の成長と発育の研究のためのより多くの制御ツールを提供できるようになります（Ngcobo and Bertling, 2024）。しかし、現在、光質が植物に及ぼす影響に関する研究では、赤色光と青色光の波長が最も広く使用されています。このように、オレンジ、黄色、緑色など、より多様な光質が植物の成長と発育に及ぼす影響を調査することで、複数の光源が植物に作用するメカニズムを解明し、実際の応用において異なる光質をより効果的に利用できるようになります。そのためには、さらなる研究と改善が必要です。植物の成長と発育の多くのプロセスは、フィトクロムと植物ホルモンによって制御されています。したがって、スペクトルエネルギーと内因性物質の相互作用が植物の成長に及ぼす影響は、今後の研究の重要な方向性となります。さらに、異なる光条件が植物の成長と発育、糖代謝に及ぼす分子メカニズム、および複数の環境要因が植物に及ぼす相乗効果を詳細に研究することで、さまざまな植物の潜在能力をさらに開発・活用し、農業やバイオメディカルなどの分野への応用が可能になります。
投稿日時: 2025年9月11日