Sierra Mixeのトウモロコシが、空気から窒素を得るのを助けているのは何でしょう？

ねばねばした気根にいる細菌

トウモロコシ

Zea mays

トウモロコシ（メイズ、学名 Zea mays）は背の高いイネ科の植物で、約9,000年前にメキシコ南部で、テオシントという野生の草から栽培化されました。1つの株のてっぺんには雄花が集まった雄穂（ゆうすい）が、下のほうには雌花が集まった雌穂（しすい）がつきます。雌穂では、ひげ（絹糸）の1本1本が、粒1つになることができます。今では世界でいちばん多く作られている穀物で、食べ物、家畜のえさ、燃料のために育てられています。

別名トウキビ, コーン, メイズ

トウモロコシのパワー

200万〜2500万 1本の雄穂あたりの花粉の粒
トウモロコシは風で受粉します。毎朝、雄穂が花粉の雲をふりまき、近くの株のひげへ流れていきます。
- 1つの葯にある花粉は、早ければ3分で全部放出されます。
- 時速24 km（15 mph）の風なら、花粉は生きている数分のあいだに、最大0.8 kmも飛ぶことがあります。
- 花粉の放出は、すずしい朝にいちばん多くなります。約38 °C（100 °F）以上の猛暑は、花粉を死なせることがあります。
- 雄穂の花は、決まった順序で開きます。ふつう、対になった花の上のほうが先に花粉を出し、下のほうがその日の遅くか翌日に出します。
出典 [1]
3.8 cm はじめのころ、ひげが1日にのびる長さ
長くてねばねばしたひげが、皮の中から出てきて、花粉をつかまえます。ひげ1本は、粒のもとにつながる管なので、実の粒1つ1つに、それぞれ自分のひげがあったのです。
- ひげは、姿を見せる10〜14日前から伸びはじめ、芯の根元にある胚珠のものから順に育ちます。
- 皮から顔を出したばかりのころは、1日に最大3.8 cm（1.5インチ）も伸びることがあります。
- 1本の雌穂のひげは、ふつう4〜8日のうちに、すべて出そろいます。
- ひげが花粉をつかまえられないと、出てから約10日で伸びが止まり、その粒はできません。
出典 [2]
400〜600 収穫まで残る粒の数
花が咲く何週間も前から、株はもう雌穂をつくりはじめています。まず粒の列の数を決め、次に1列の粒の数を決めます。
- 列の数は、株の葉が5〜7枚のころに、早くも決まります。
- 粒のもとは、葉が12〜15枚になるまで、各列に増えていきます。
- 1つの雌穂には最大で約1,000個の胚珠ができますが、収穫まで残る粒は、ふつう400〜600個ほどです。
- 雌穂ができている間に、ひょうや霜、洪水、急な暑さがあると、あとで粒が少なくなることがあります。
1本の雌穂の粒
収穫時の粒400〜600
粒のもと（胚珠）750〜1,000
アメリカ・インディアナ州で育てたハイブリッド品種
出典 [2, 3]
いつも偶数 粒の列の数
実の列を数えてみると、ほとんどいつも偶数になります。列は1本のうねとして始まり、それが2つに分かれて対になります。
- ほとんどの雌穂は14〜18列で、範囲はおよそ12〜22列です。
- 列はそれぞれ、細胞の1本のうねとして始まり、それが2つに分かれるので、列は対になります。
- 雌穂ができている間に、急な霜やひょう、洪水のような強いストレスがあったときだけ、このパターンがくずれることがあります。
出典 [2, 3]
輪が多いほど 土の中にあると、曲がりにくい
太い根が輪になって、下のほうの茎から生え、テントのくいのように地面へ突き刺さって、背の高い株が風に負けないよう支えます。
- 支柱根は、土の上にある茎の節から生えます。空中にとどまるものもあれば、地面に伸びるものもあります。
- 畑での実験で、科学者たちは株を押してから、支柱根を1段（1輪）ずつ切り取っていきました。土にふれている輪を取り除くたびに、茎はより大きく曲がりました。
- どの輪も同じように役立つわけではなく、支柱根がどう育つのかも、まだ研究が続いています。
出典 [11, 12]
45+ 植物でC4が進化した回数
トウモロコシの葉は、葉脈のまわりの特別な細胞に、二酸化炭素を送り込みます。このC4のしくみのおかげで、暑くて日ざしの強い日も、光合成の効率が保たれます。
- ほとんどの植物（C3植物）では、暑さのせいで、糖をつくる酵素ルビスコ（Rubisco）のはたらきが悪くなり、光呼吸でエネルギーが失われます。
- C4植物は、維管束鞘細胞の中で、ルビスコのまわりに二酸化炭素を集めるので、そのようなことがずっと少なくなります。
- C4光合成は、19の植物の科で、45回以上、別々に進化しました。はじめて現れたのは、約2400万〜3500万年前のイネ科の植物です。
- 小麦とイネは、C3の作物です。2008年から、科学者のグループが、イネにC4のしくみを持たせようと研究しています。
出典 [6, 7, 8, 13]
29〜82% 空気からとった窒素の割合（ある在来品種）議論中
メキシコのSierra Mixe山地にある背の高い在来トウモロコシは、ねばねばした気根を出します。そのねばねばにすむ細菌が、空気中の窒素を、植物の栄養に変えます。
- Sierra Mixeの品種は5 mを超えるまで育ち、すべての節に輪になった気根が出て、糖分をふくむゲルをにじみ出させます。
- 5年間の野外実験で、植物が使う窒素の29〜82%が、空気由来だとわかりました。
- 豆やほかのマメ科植物は、このはたらきで有名ですが、トウモロコシのような穀物では予想されていませんでした。
- これが示されたのは2018年で、1つの在来品種だけです。そのため、科学者たちは、どんな仕組みなのか、ほかのトウモロコシも使えるのかを、今も調べています。
出典 [10]
180 °C ほとんどのポップコーンがはじける温度
ポップコーンの粒は、小さな圧力なべです。中の水が水蒸気になり、硬い皮がそれを閉じこめ、やがて粒がはじけて、でんぷんがふくらみ出します。
- ポップコーンがはじけるには、中に約13.5〜14%の水が必要です。
- 水は100 °Cで水蒸気になりますが、皮は、粒が約180 °Cになるまでもちこたえます。
- はじけるのにかかる時間は、100分の数秒です。でんぷんの『足』がフライパンを押して、ポップコーンをジャンプさせます。
- 『ポン』という音は、水蒸気が勢いよく出ていく音のようです。
何度？
ポップコーンがはじける≈180 °C
水がわく100 °C
出典 [4, 14]

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≈6,000 1本の雄穂にある花粉の袋（葯）の数
- 株のてっぺんにある雄穂は、雄花の集まりです。
- 1本の雄穂には、小さな花のかたまり（小穂）が約1,000個でき、それぞれに花が2つずつ入っています。
- 合わせると、花粉が入った小さな袋である葯（やく）が、およそ6,000個になります。
- 株は、雄穂が出るころに最大の高さになります。
出典 [1]
200万〜2500万 1本の雄穂から出る花粉の粒
- 雄穂から落ちる黄色や白い粉は、ほとんど目に見えないほど小さな花粉が、何百万粒も集まったものです。
- 1本の雄穂あたり200万〜2500万粒という推定があります。数えるのがとても難しいのです。
- 花粉は、朝露がかわいた午前の半ばごろに、いちばん多く飛ぶのがふつうです。
- 空気中に出た花粉は、かわいてしまうまでの数分間しか生きていられません。
出典 [1]
ひげ1本 粒1つにつき
- ひげは1本ずつ、胚珠（はいしゅ）という、粒のもとにつながっています。
- 胚珠が受精して粒になるには、ひげが花粉をつかまえなければなりません。
- 雌穂の根元側のひげが先に伸び、先端に近いひげは最後に出てきます。
- ひげは最長10日間、花粉を受け取れますが、ほとんどの粒は最初の4〜5日で受精します。
出典 [2]
750〜1,000 1本の雌穂にできる粒の候補（胚珠）の数
- 雌穂は株の雌花の集まりで、葉のような皮（包葉）につつまれています。
- アメリカのインディアナ州で育てられているハイブリッド品種では、1本の雌穂に約750〜1,000個の胚珠ができます。1列に約50〜60個ずつです。
- 収穫まで残る粒は、ふつう400〜600個ほどだけです。
- 雌穂は、株がひざくらいの高さのころにできはじめ、その大きさは、ひげが出る10〜14日前に決まります。
出典 [2, 3]
14〜18 ほとんどの雌穂の列の数（12〜22もありうる）
- 粒は、大きく3つの部分からできています。胚（赤ちゃん植物）、でんぷんをたくわえた胚乳（はいにゅう）、そして果皮（かひ）とよばれる外側の皮です。
- 粒の列は、細胞が並んだ1本のうねとして始まり、それが2つに分かれて対になるので、雌穂の列の数はほとんどいつも偶数です。
- 列の数がいったん決まると、それ以上列は増えません。
- スイートコーンの粒が甘いのは、sugary1という遺伝子のおかげです。この遺伝子が変化すると、糖が増え、ある種のでんぷんが減ります。
出典 [3, 4, 5]
C4 光合成の型
- トウモロコシの葉はC4光合成を行います。これは、葉のつくりと化学反応が変化して、二酸化炭素を、それを糖に変える酵素のまわりにぎゅっと集める仕組みです。
- そのため、暑くて光が強い場所でも、光合成の効率がよくなります。ふつうの（C3）植物は、そのような場所で光呼吸というはたらきのせいで、多くのエネルギーを失ってしまいます。
- C4光合成は、約2400万〜3500万年前に、イネ科の植物ではじめて現れました。
- イネにはこの仕組みがありません。科学者たちは、収穫量を増やすために、イネにC4のしくみを加えようとしています。
出典 [6, 7, 8]
5 m超 の高さ：メキシコのSierra Mixeのトウモロコシ
- トウモロコシは、丈夫な主茎を1本だけ伸ばします。野生の祖先のテオシントは、側枝がたくさんあって、ずっと茂みのような姿です。
- teosinte branched1（tb1）という遺伝子が、この違いの大きな原因の1つです。
- メキシコのオアハカ州にあるSierra Mixe山地で育てられている在来品種は、高さが5 mを超えるまで育ちます。
出典 [9, 10]
輪が多いほど 土に入るほど、茎が安定する
- 支柱根は、地面より上にある茎の節から、輪（whorl）のように何段もなって生えます。
- 空中にとどまるものもあれば、下へ伸びて土の中に入るものもあります。
- 畑での実験で、土にふれる輪が多いほど、茎をしっかり支えることがわかりました。
- 支柱根が本当に株を支えていることが科学的に示されたのは、ごく最近のことで、まだわかっていないことがたくさんあります。
出典 [11, 12]
- 根は土から水とミネラルを吸い上げ、道管（どうかん）という管のような組織が、それを茎の上へ運びます。
- 地面に届いた支柱根は、株を支えるだけでなく、水や栄養分を吸うのにも役立っているかもしれません。
- メキシコのある在来品種では、ねばねばした気根に、空気中の窒素を取り込む細菌がすんでいます。
出典 [10]

本物のトウモロコシ

ウィキメディア・コモンズの写真です。3Dモデルの色を変えられる写真もあります。

スイートコーン背が高く緑色の株で、うす色の雄穂、緑の皮、黄色い粒がついています。sugary1遺伝子の変化で甘い：糖が多く、ある種のでんぷんが少ない雄穂：花粉をつくる雄花. 写真： Knowledge and philosophy, CC BY-SA 4.0
ひげ：1本ずつが粒1つにつながる写真： Jeffery Martin, CC0
株を固定する支柱根写真： Thanduanlung Kamei, CC BY-SA 4.0
スイートコーン背が高く緑色の株で、うす色の雄穂、緑の皮、黄色い粒がついています。sugary1遺伝子の変化で甘い：糖が多く、ある種のでんぷんが少ないアメリカ・ペンシルベニア州の若いトウモロコシ畑. 写真： Derek Ramsey (Ram-Man), GFDL 1.2
フリントコーン（硬粒種）赤、青、紫、黄、白など、さまざまな色の粒がつき、1本の実にすべての色がそろうこともあります。在来品種（ランドレース）には、トウモロコシの遺伝的な多様さの多くが残っているカラフルなグラスジェム・コーン. 写真： timlewisnm, CC BY-SA 2.0
フリントコーン（硬粒種）赤、青、紫、黄、白など、さまざまな色の粒がつき、1本の実にすべての色がそろうこともあります。在来品種（ランドレース）には、トウモロコシの遺伝的な多様さの多くが残っているメキシコの青いトウモロコシの粒. 写真： Jmsinuhe, CC BY-SA 3.0
ポップコーン（爆裂種）小さな雌穂に、小さくてつやのある粒がぎっしり。皮の厚さがちょうどよく、粒がはじけるまで水蒸気を閉じこめておける庭で育てたポップコーンの雌穂. 写真： Geo Lightspeed7, CC BY-SA 4.0
テオシント（野生の祖先）枝がたくさんある、茂みのような野生の草。雌穂はとても小さく、種は硬い石のようなさやに入っています。2つの遺伝子の変化（tb1とtga1）が、トウモロコシへの変化を助けたメキシコ・オアハカのテオシント（トウモロコシの野生の親せき）. 写真： Bernardo Bolaños, CC BY-SA 3.0

数字で見るトウモロコシ

科学者や機関が測った数字を、思いうかべやすい比較といっしょに紹介します。

世界の収穫量: 12億2000万トン; 2024年のトウモロコシ。小麦や米より多い⁠[20, 21]; トウモロコシ1,218 百万トン小麦798 百万トン
雄穂1本の花粉: 200万〜2500万; 粒。空気中で生きられるのは、ほんの数分だけ⁠[1]
粒のもと: 750〜1,000; 1本の雌穂にある胚珠の数。そのうち、ふつう400〜600個の粒が残る⁠[3, 2]
粒の列: 14〜18; ほとんどの雌穂で。そして、ほぼいつも偶数⁠[3]
ひげののび: 3.8 cm/日; ひげが出てから、最初の1〜2日間⁠[2]
栽培化: ≈9,000年前; メキシコ南部で、テオシントから⁠[15]
最古の証拠: 8,700年; メキシコのバルサス川流域の岩陰遺跡で見つかった、トウモロコシのでんぷん粒⁠[17]
遺伝子: 32,000以上; 23億文字のゲノムの中に。そのほぼ85%は、ジャンピング遺伝子⁠[22]
はじける温度: 180 °C; 粒の中に13.5〜14%の水があるとき⁠[14, 4]
背の高い在来品種: 5 m超; メキシコ・オアハカ州のSierra Mixeのトウモロコシ⁠[10]

トウモロコシの言い伝えと事実

昔からの言い習わしや台所の科学を、証拠でたしかめます。

8問中0問回答

「トウモロコシのひげは、1本ずつ粒1つにつながっている。」
「トウモロコシの実の列は、いつも偶数。」
「トウモロコシは、アメリカの独立記念日（7月4日）までに『ひざの高さ』になっていなければいけない。」
「トウモロコシの花粉は、何時間も生きたまま空中をただよっている。」
「ポップコーンは、中の水がふっとうしたらすぐにはじける。」
「トウモロコシは、草の仲間である。」
「トウモロコシは、似ても似つかない野生の草から生まれた。」
「トウモロコシの1本の背の高い茎は、1つの遺伝子のおかげでもある。」

トウモロコシの記録

数字の裏づけがある、いちばんの記録たちです。

いちばん多く作られる穀物
12億2000万トン
トウモロコシ
2024年に世界で収穫されました。米（8億2000万トン）や小麦（7億9800万トン）を上回ります。この3つで、穀物全体の約91%を占めます。⁠[20, 24, 21, 25]
最大の生産国
3億7800万トン
アメリカ合衆国
2024年のトウモロコシの生産量。次いで、中国（2億9500万トン）、ブラジル（1億1500万トン）です。⁠[20]
最古のトウモロコシの痕跡（2009年の研究）
8,700年
メキシコのXihuatoxtla岩陰
野生の祖先が育つ、バルサス川中央流域で見つかった、トウモロコシのでんぷん粒と、小さなケイ酸体です。⁠[17]
初期の雌穂と雄穂
6,700〜3,000年
ペルーのParedonesとHuaca Prieta
ペルーの海岸地方で見つかった、知られている中で最も古いトウモロコシの雌穂、皮、茎、雄穂の一部です。⁠[16]
ジャンピング遺伝子のゲノム
≈85%
トウモロコシ
23億文字のゲノムの約85%は、転移因子、つまり『ジャンピング遺伝子』でできています。バーバラ・マクリントックは、動く遺伝因子の発見により、1983年にノーベル賞を受賞しました。⁠[22, 26]

トウモロコシの育つ季節

ひと夏のあいだに、数枚の葉から、粒がぎっしりつまった雌穂まで育ちます。農家は、葉の数（V）と、花の段階（R）で、その時期を呼び分けます。

葉5〜7枚
雌穂のはじまり
株がひざくらいの高さになるころ、いちばん上の雌穂ができはじめ、粒の列の数がすぐに決まります。⁠[3]
葉12〜15枚
雌穂の大きさが決まる
株は各列に粒のもとを加え終え、ひげが皮の中で伸びはじめます。これは、ひげが姿を見せる10〜14日前です。⁠[3, 2]
雄穂が出る（VT）
最大の高さ
雄穂の最後の枝が、葉の間から出てきます。茎は、このころ背が伸びるのをやめます。⁠[1]
ひげが出る（R1）
ひげがあらわれる
ひげが皮から顔を出し、1日に最大3.8 cmずつ伸びます。すべてのひげが、4〜8日のうちに出そろいます。⁠[2]
午前の半ば
花粉の時間
朝露がかわくと、花粉の放出が最も多くなります。インディアナ州では、畑の花は6月下旬から7月下旬に咲きます。⁠[1]
最初の4〜5日
粒のはじまり
ほとんどのひげは、最初の数日で受精します。花粉をつかまえられないひげは、出てから約10日で伸びが止まります。⁠[2]
収穫
ぎっしりの雌穂
最大1,000個の胚珠のうち、完成した雌穂では、ふつう400〜600個が粒になります。⁠[2]

テオシントがトウモロコシになるまで

トウモロコシは、アメリカ大陸の先住民の農民が生んだ、偉大な発明の1つです。

≈9,000年前
ただ1度の栽培化
264株のDNAから、すべてのトウモロコシが、メキシコ南部でテオシントがただ1度栽培化されたものから生まれたことがわかります。⁠[15]
8,700年前
最古の痕跡
バルサス川流域のXihuatoxtla岩陰に、トウモロコシのでんぷん粒と小さなケイ酸体（植物ケイ酸体）が、初期のカボチャの仲間とともに残されています。⁠[17]
農耕のはじまりのころ
重要な遺伝子の変化
tga1遺伝子の変化が、粒を石のようなさやから解き放ち、tb1が、植物に1本の主茎をもたせる助けになりました。⁠[19, 9]
6,700〜3,000年前
ペルーへ南下
ペルーの海岸にあるParedonesとHuaca Prietaに、トウモロコシの雌穂、皮、茎、雄穂が残されています。アンデスのタイプが、すでに現れています。⁠[16]
何世紀にもわたって
アメリカ大陸全体へ
メキシコの高地から、トウモロコシは2つの主なルートに沿って広がり、農家は、とてもたくさんの在来品種を生み出しました。⁠[15]
伝統的な農法
三姉妹
ホーデノショーニー（イロコイ）の人々は、トウモロコシ、豆、カボチャを同じ畑でいっしょに育てました。これは『三姉妹（スリー・シスターズ）』とよばれる方法です。⁠[27]
1979年
新しい野生の親せき
植物学者が、多年生のテオシントZea diploperennisを新しい種として発表します。ハリスコ州のSierra de Manantlánにある、Cerro de San Miguelだけで見つかるものです。⁠[28]
1983年
ノーベル賞
バーバラ・マクリントックが、動く遺伝因子、いわゆる『ジャンピング遺伝子』の発見で、ノーベル賞を受賞します。⁠[26]
2009年
ゲノムの解読
科学者たちが、トウモロコシの系統B73のゲノムを発表します。23億文字と、32,000個を超える遺伝子です。⁠[22]
2018年
肥料になる根
Sierra Mixeのトウモロコシは、根のねばねばにいる細菌の助けを借りて、窒素の最大82%を空気から得ていることがわかります。⁠[10]

トウモロコシ・小麦・イネをくらべよう

世界を養う、3つの大きな草です。

トウモロコシ、小麦、イネのくらべ
	トウモロコシ	小麦	イネ（米）
世界の収穫量（2024年）⁠[20, 21, 24]	12億2000万トン	7億9800万トン	8億2000万トン
最大の生産国（2024年）⁠[20, 21, 24]	アメリカ合衆国	中国	インド
光合成⁠[6, 13, 8, 7]	C4：暑くても効率がよい	C3	C3（科学者はC4を加えようとしている）

トウモロコシ、小麦、イネは、2023年の世界の穀物収穫量の91%を占めました。

トウモロコシは絶滅危惧種？

トウモロコシ自体はちがいますが、野生の親せきには絶滅の危機にあるものがいます。古くからの在来品種の多様さも、これからのために大切です。

IUCNレッドリスト

低懸念 (LC)

傾向は不明

IUCNレッドリストでは、野生のテオシント亜種をふくむZea maysを、軽度懸念（Least Concern）としています。作物としては巨大な規模で栽培されていて、年間12億トン以上にもなります。⁠[23, 29, 20]

IUCNレッドリスト（GBIFとWikidata経由）

脅威

まれな野生の親せき3
野生のZea属の3種が、レッドリストで絶滅の危機にあるとされています。Zea perennis（絶滅寸前）、Zea diploperennis（絶滅危惧）、Zea luxurians（危急）です。⁠[30, 31, 32]
とても狭い分布域
Zea diploperennisは、1979年に新種として発表されたとき、メキシコ・ハリスコ州のCerro de San Miguelというたった1つの山でしか見つかっていませんでした。⁠[28]

助けになっていること

農家自身の品種
先住民や地元の農家が、トウモロコシのすばらしい多様性をつくり、今もSierra Mixeのトウモロコシのような在来品種を育てています。その品種には、2018年まで誰も知らなかった性質がありました。⁠[15, 10]
遺伝子を知る
トウモロコシのゲノムを読み、tb1やtga1のような遺伝子を見つけることで、どの性質がテオシントから来たのか、そして、なぜ野生の親せきを守る価値があるのかがわかります。⁠[22, 9, 19]

野生の親せき

Zea perennis深刻な危機
多年生のテオシント。1シーズンではなく、数年にわたって生きます。⁠[30]
Zea diploperennis絶滅危惧
ハリスコ州のSierra de Manantlánにある多年生のテオシント。種子は地元で食べられています。⁠[31, 28]
Zea luxurians危急
野生のテオシントの1種。⁠[32]