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春らんまんの明治の世を天真らんまんに駆け抜けた植物学者・槙野万太郎（神木隆之介）の物語がはじまる―。土佐の酒蔵・峰屋の跡取りとして生まれた万太郎（森優理斗）は草花が大好きな男の子。生まれつき病弱ですぐに熱を出して倒れてしまう。「万太郎はいっそ生まれてこなければよかった」という親戚の心ない言葉に深く傷ついた万太郎は、病床の母ヒサ（広末涼子）の制止を振りきって家を飛び出してしまう。そして、行き着いた裏山の神社で自らを「天狗」と名乗る謎の武者との不思議な出会いを果たす。

９歳になった万太郎（小林優仁）は武家の子息だけが通学を許される学問所に通うこととなった。あまり乗り気ではない万太郎は、初日から雰囲気になじめず、武家の子息たちにもいじめられ登校拒否に・・・。しかし学頭である池田蘭光（寺脇康文）から植物の不思議な生態について教えを受け、学ぶ楽しさを知る。それ以来、積極的に学問所に通い始め、興味のある植物の研究に没頭するようになる。それから３年の月日が流れ、新政府による小学校の開校にともない学問所は廃止。蘭光も佐川を離れることになる。蘭光はタキ（松坂慶子）の了解を得て、万太郎を最後の課外授業にいざなう。

１８歳になった万太郎（神木隆之介）だが、相変わらず植物の研究に没頭する日々を送っていた。一方、姉の綾（佐久間由衣）も禁じられた酒造りへの夢を諦められずにいた。そんな折、東京で開催される博覧会に峰屋の酒を出品することが決まり、万太郎は竹雄（志尊淳）を伴って初めて上京することに。訪れた上野の博覧会場で菓子屋の娘・寿恵子（浜辺美波）との運命の出会いを果たす。また憧れの植物学者、野田（田辺誠一）や里中（いとうせいこう）との出会いから大きな刺激を受ける。万太郎がますます植物学に引かれていく一方、竹雄は万太郎の心が峰屋から離れることに不安を感じる。

佐川に帰ってきた万太郎（神木隆之介）は、植物学の道をきっぱり諦め、峰屋の当主として生きることを約束する。万太郎が本心を隠していると察したタキ（松坂慶子）は、万太郎を峰屋に縛り付けるため、綾（佐久間由衣）と夫婦になるよう言い渡す。姉弟として生きてきた二人はタキの命令に反発し、綾は家を飛び出してしまう。向かった先は蔵人・幸吉（笠松将）の村だった。万太郎も綾を探して高知へ向かうが、自由民権運動の集会で偶然出会った政治結社のリーダー・早川逸馬と意気投合。逸馬は万太郎を「ジョン万次郎」こと中濱万次郎と引き合わせる。

自分の行きたい道を進むと心に誓った万太郎（神木隆之介）と綾（佐久間由衣）は、佐川に帰る前に早川逸馬（宮野真守）の演説会に参加する。思いがけず登壇することになった万太郎は、突如乱入した警官隊に逮捕されてしまう。高知の警察署で厳しい取り調べを受ける万太郎と逸馬。竹雄（志尊淳）から顛末を聞いたタキ（松坂慶子）は自ら高知へ出向き万太郎を救出し、無事に佐川へと連れ戻す。峰屋に帰った万太郎は、植物学の道を進むため東京へ行かせてほしいと、タキにその熱い思いをぶつける。それから時は流れ、春。万太郎は峰屋の面々に見送られ東京へと旅立つのだった…。

東京に着いた万太郎（神木隆之介）と竹雄（志尊淳）は、野田基善（田辺誠一）らがいる博物館へ足を運び、植物談義に花を咲かせる。野田から東京大学への紹介状をもらった万太郎は、次に名教館時代の学友・広瀬佑一郎（中村蒼）を訪ねる。佑一郎の叔父の家を下宿先として紹介してもらったのだ。しかし植物標本などの荷物が多すぎるから捨ててほしいと言われてしまい、結局、自分たちで下宿先を探すことに。大八車を引いて東京の町をさまよう二人だったが、貴重な標本が入ったトランクを盗まれてしまう・・・。そしてたどり着いたのは、ドクダミが咲く薄暗い根津の長屋。そこに住む愉快な仲間たちと共に、東京での新たな暮らしがスタートする。

長屋の住人らに見送られ、万太郎（神木隆之介）はいよいよ憧れの東京大学植物学教室へと向かう。青長屋とよばれる校舎に足を踏み入れた万太郎は、植物研究の最先端の場を目の当たりにして興奮する。教授の田邊（要潤）に「土佐植物目録」を見せ、大学へ出入りをさせてもらえないかと懇願するが、助教授の徳永（田中哲司）は猛反対。教室内に不穏な空気が流れるなか、田邊教授は意外にも万太郎と意気投合し、植物学教室への出入りを許可する。翌朝、万太郎は教室への差し入れを買おうと、白梅堂へと立ち寄った。寿恵子（浜辺美波）の好きな植物が「ボタン」だと知った万太郎は、彼女のために絵を描きプレゼントする。

東京大学に通い始めた万太郎（神木隆之介）は、標本の整理などを楽しくこなす一方で、学生たちから部外者扱いを受け落ち込んでいた。竹雄（志尊淳）から喝を入れられ、元気を取り戻した万太郎は、東京の草花をもっと知ろうと、倉木（大東駿介）の案内で植物採集をすることを思いつく。泥だらけでイキイキとした表情で大学にやってくる万太郎。その姿を見た学生の波多野（前原滉）と藤丸（前原瑞樹）の気持ちは少しずつ動き始めるのだった。そんなある日、白梅堂へ立ち寄った万太郎は寿恵子（浜辺美波）と会話をする中で、いつか日本中の植物の名を明かし植物図鑑を作りたい、という新たな目標を見つける。

いつか日本中の植物の名を明かし植物図鑑を作りたい、という夢を掲げた万太郎（神木隆之介）は、その第一歩として、植物学雑誌の出版を目指していた。一方、寿恵子（浜辺美波）は元薩摩藩士の富豪・高藤（伊礼彼方）から誘いを受け、舞踏練習会に参加することとなった。そして、万太郎も田邊教授（要潤）の誘いで高藤家のサロンへ行ったところ、ばったりと寿恵子と出会う。田邊から植物学雑誌を作ることの許しを得られたものの、どうも頭の中から寿恵子のことが離れず、仕事に身が入らなくなってしまった万太郎。長屋の住人である、りん（安藤玉恵）、えい（成海璃子）、ゆう（山谷花純）の３人の女性に励まされ、万太郎は自分の気持ちを伝えようと白梅堂へ向かうが・・・

植物学雑誌を作りたい万太郎（神木隆之介）は、大畑（奥田瑛二）が営む印刷所に向かい、見習いとして働かせてほしいと懇願する。自分が描いた絵をそのまま印刷できる石版印刷の技術を習得するためだ。大畑から許しを得た万太郎は、竹雄（志尊淳）の心配をよそに、昼間は大学で標本の分類作業、夜は印刷所で修業という生活を始める。一方の寿恵子（浜辺美波）は、万太郎が店に来なくなったことにヤキモキする毎日。そんな中、高藤（伊礼彼方）に思いもよらぬことを告げられる。

万太郎（神木隆之介）が印刷所で修業を始めて１か月が過ぎた。石版印刷の技術にも磨きがかかり、雑誌創刊に向けて着々と準備を進めていた。そんなある日、竹雄（志尊淳）が働くレストランに、寿恵子（浜辺美波）と高藤（伊礼彼方）がやってくる。衝撃的な会話を聞いてしまった竹雄は、急いで万太郎に伝えにいく。しかし、万太郎は一人前の植物学者として寿恵子を迎えに行くと言ってきかず、今は、雑誌創刊を優先するという気持ちを曲げないのだった。寿恵子もまた、ある決意を胸に舞踏会の発足式へと挑む。

長屋にいる万太郎（神木隆之介）のもとに現れたのは、舞踏会のドレスを着た寿恵子（浜辺美波）。寿恵子の登場に沸く長屋の仲間たちの前で、二人は気持ちを確かめ合い、永遠の愛を誓うのだった。それから半年後の春、万太郎、寿恵子、竹雄（志尊淳）の三人は故郷の佐川へと里帰りをする。その頃、峰屋では綾（佐久間由衣）と市蔵（小松利昌）が酒屋に課せられる税金の制度が変わったことで窮地に立たされていた。ある日、万太郎のもとへ、植物学の権威・マキシモヴィッチ博士からの手紙が届く。

植物学者・マキシモヴィッチからの手紙は、万太郎（神木隆之介）の研究成果を高く評価する内容だった。タキ（松坂慶子）は早く東京へ戻った方がよいと、二人の祝言を急がせる。しかし、タキの病状も悪化していたのだった。祝言の準備が進む中、万太郎、竹雄（志尊淳）、寿恵子（浜辺美波）の三人は横倉山へと植物採集に出かける。竹雄は寿恵子に万太郎の植物採集の手助け方法を教える。それからしばらく後、万太郎の祝言を無事に見届けたタキは、満開の桜に見守られながらあの世へと旅立つのだった。

タキ（松坂慶子）の法要を終え、東京に戻ってきた万太郎（神木隆之介）と寿恵子（浜辺美波）。いよいよ長屋での新婚生活が始まる。万太郎は高知で採集してきた植物標本を手に大学へと向かう。その中に、新種かもしれない植物があることを植物学教室の面々に伝えると、田邊（要潤）から突然、その標本を持って自宅に来るよう命じられる。その夜、万太郎は、田邊から「専属のプラントハンターにならないか」との誘いを受ける。

何の身分もない自分が新種の発表をするにはどうしたらよいのか？　万太郎（神木隆之介）は、自らの手で図鑑を発刊することで植物学者として世の中に認めてもらうしかない、という結論にたどり着く。そのために昼間は研究、夜は大畑印刷所へ通うことを決心するが、それを聞いた寿恵子（浜辺美波）は思わぬ行動に出る。ある日、長屋に大窪（今野浩喜）が訪ねてきて、万太郎が高知で採集してきた植物の共同研究を持ちかける。

万太郎（神木隆之介）は大窪と共に新種ヤマトグサを発表。そして図鑑を発刊したことで植物学者として世に認められ、まさに順風満帆の日々を送っていた。一方の田邊（要潤）は、新種として発表しようとしていた植物が、イギリス留学中の日本人学者に先を越されて発表されてしまい、失意のどん底に…。そんなある日、長屋に藤丸（前原瑞樹）がやってくる。新種発表をめぐって学者同士が激しく競い合う状況に気を病んだ藤丸は、大学を辞めると言い出す。

万太郎（神木隆之介）が植物採集の旅から帰ってきた日に、寿恵子（浜辺美波）は無事に女の子を出産。子育てと図鑑の出版に追われながらも、万太郎は充実した日々を送っていた。そんなある日、ゆう（山谷花純）から誘われて出かけた池のほとりで、万太郎は見たこともない水生植物と出会う。翌日、その植物を持って植物学教室へ行くと、田邊（要潤）は、それが日本でまだ発見されたことのない食虫植物であることを万太郎に教え、論文と植物図を書いて世界に向けて発見報告をするよう命じる。

万太郎の書いたムジナモ発見の論文に激怒した田邊は、大学への出入りを禁じ、さらに土佐植物目録と標本500点を大学に寄贈するよう命じる。万太郎は急いで論文を書き直したが、田邊の気持ちは変わらなかった。そんなとき、ロシアのマキシモヴィッチ博士から、万太郎のムジナモの研究を高く評価するとの手紙が届く。万太郎は、自分を認めてくれる人のもとで研究をしようと、寿恵子と娘を連れてロシアへ行くことを決める。そのころ峰屋では、綾と竹雄が窮地に立たされていた。

長女の園子が亡くなり、悲しみに暮れる寿恵子だったが、万太郎や母のまつに支えられながら無事に第２子を出産する。そんなある日、ロシアからマキシモヴィッチ博士が亡くなったとの知らせが届く。ロシア行きを断念した万太郎は、今、自分のやるべきことをやると決心。まずは田邊から寄贈を命じられた標本制作のため、植物採集の旅に出ることにする。高知の山奥で虎鉄という少年と出会い、彼の案内で珍しい植物を発見する。その植物を新種だと認定した万太郎は「ヤッコソウ」という和名をつける。

万太郎のもとに、虎鉄たちから続々と植物標本が送られてくるようになった。一つ一つ丁寧に調べ、返事を書いて、日本中に万太郎の植物仲間が増えていった。それから３年の月日が流れ、長屋の面々はそれぞれ旅立ち、寿恵子は３人目の子を妊娠する。一方、田邊は後ろ盾を失い、学長や大学の評議員などすべての役職を辞任。失意の田邊だったが、妻の聡子に背中を押され植物の研究に本腰を入れるようになる。学生たちと採集旅行に出かけた田邊は、そこで見つけた新種の植物を、大学の総力を挙げて研究し「キレンゲショウマ」と名付け発表する。

田邊に代わって徳永が教授となってから2年の月日が流れた。ある日、田邊が不慮の事故で亡くなったという知らせが届く。聡子から田邊の遺言を聞き、その蔵書を受け取った万太郎はさらに研究に打ち込む。しかし、このころの槙野家の生活はギリギリ。寿恵子は、万太郎の研究と家族の生活のために、叔母・みえの料亭で働くこととなった。ある夜、得意客の岩崎弥之助が訪れ、皆で菊を持ち寄って品評会をしたいと言い出す。そして一等に選ばれた菊は、岩崎が買い上げると言う。借金返済のために、寿恵子は万太郎に頼んで、菊を採集してきてもらう。

教授となった徳永に助手として迎えられた万太郎は、7年ぶりに植物学教室へと戻った。この時、徳永らが目指していたのは顕微鏡の奥の世界。波多野と野宮が手を組み、イチョウとソテツの精子を発見しようとしていた。万太郎の研究は古いと大窪に言われたが、万太郎は自分のやり方を変えるつもりはなかった。そんなある日、万太郎は学術調査団の一員として台湾へ派遣されることになる。

竹雄（志尊淳）と綾（佐久間由衣）の夫婦が商売をしようと東京にやってくる。資金を貯めて、いつかまた酒蔵を開くことを夢みていた。二人が出した屋台は、そばをメインとし高知の郷土料理も楽しめ、万太郎（神木隆之介）たちは大喜び。そして寿恵子（浜辺美波）は、竹雄と綾のいきいきと働く姿を見て自分も商売を始めることを決意する。早速、渋谷の街を食べ歩き、街の人と会話をして手作りの地図を完成させる。渋谷の街に大きな魅力を感じた寿恵子は、人と人をつなぐ待合茶屋「山桃」を開店させる。

万太郎（神木隆之介）は図鑑発刊に向けて原稿を描き続ける日々を送っていた。そんなある日、早川逸馬（宮野真守）が寿恵子（浜辺美波）の店にやってくる。万太郎は逸馬と久々の再会を果たし、永守徹（中川大志）という青年を紹介される。永守は万太郎に図鑑発刊のための費用を支援したいと申し出る。一方、竹雄（志尊淳）と綾（佐久間由衣）、そして藤丸（前原瑞樹）は、酒蔵を開くため沼津へと移り住むことを決める。

万太郎（神木隆之介）は、自分の植物学を貫くために大学を辞職。そして、時代は変わり大正12年。東京を襲った関東大震災は下町を焼き尽くし、十徳長屋も被害を受ける。万太郎たちは、間一髪で持ち出した標本と共に寿恵子（浜辺美波）の店に避難。全ての標本を救えず落ち込む万太郎だが、焼き荒れた道ばたで見かけた「ムラサキカタバミ」に勇気づけられ…寿恵子もまた大きな決断をする時がきていた。

渋谷にあった寿恵子（浜辺美波）の店は高値で売れ、その資金をつぎ込んで、練馬に広大な土地を手に入れる。そこに大きな屋敷を構えた槙野家、しかし寿恵子は具合を悪くしていた。万太郎（神木隆之介）は看病をしながら、「日本全国の草花を載せた図鑑を完成させる」という寿恵子との約束を果たすため、日々研究に取り組むのだった。