植物の個体レベルのＣ・Ｎ分配調節メカニズムに関する生理生態学的研究

• Project/Area Number: 14J07443
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Ecology/Environment
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 杉浦 大輔 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2016: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2015: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2014: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 光合成 / ダウンレギュレーション / ルビスコ / 細胞壁 / 葉肉コンダクタンス / 物質分配 / CN比 / LMA / 非構造性炭水化物

Outline of Annual Research Achievements

植物体の光合成産物のシンク活性に対して、光合成器官である葉のソース活性が過剰なとき、葉に非構造性炭水化物 (TNC、デンプンや可溶性糖) が蓄積すると、光合成速度が低下する現象は、光合成ダウンレギュレーションとして知られている。しかし、その詳細なメカニズムや種間差、生態学的意義については不明な点が多かった。本研究ではこれらの問題を解決するために、以下の実験を行った。
アブラナ科植物5種、マメ科植物3種を用いた環境操作実験を行い、TNCが光合成速度に与える影響を評価した。その結果、TNCの蓄積による光合成速度の低下は、マメ科植物のインゲンのみにおいてしか見られなかった。
ダイズとインゲンを用いた詳細な比較実験から、シンク・ソース比の減少に応じて、葉にTNCだけでなく、細胞壁などの構造性炭水化物も蓄積することが分かった。そこで、細胞壁量の増加が細胞壁厚さによるものであれば、葉内から葉肉細胞内へのCO2透過性（葉肉コンダクタンス）も減少していると仮説を立て、炭素安定同位体方による葉肉コンダクタンスの測定と、透過型電子顕微鏡による細胞壁厚さの解析を行った。その結果、両種において、シンク・ソース比の減少に応じて細胞壁厚さが3倍近く増加していた。さらに、葉肉コンダクタンスと細胞壁量・厚さの間には明確な負の相関がみられた。
これらの結果から、シンク・ソース比の減少に応じた光合成ダウンレギュレーションにおいては、ルビスコなどの光合成タンパク質の減少による生理学的な調節だけでなく、細胞壁厚さの増加による形態的な調節も行われていることが示された。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Phytohormonal regulation of biomass allocation and morphological and physiological traits of leaves in response to environmental changes in Polygonum cuspidatum (2016)
  • Author(s): Sugiura D, Kojima M, Sakakibara H.
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 7
  • DOI: 10.3389/fpls.2016.01189
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Manipulation of the hypocotyl sink activity by reciprocal grafting of two Raphanus sativus varieties: its effects on morphological and physiological traits of source leaves and whole-plant growth. (2015)
  • Author(s): Sugiura D, Betsuyaku E, Terashima I
  • Journal Title: Plant Cell Env Volume: 38 Issue: 12 Pages: 2629-40
  • DOI: 10.1111/pce.12573
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Roles of gibberellins and cytokinins in regulation of morphological and physiological traits in Polygonum cuspidatum responding to light and nitrogen availabilities (2015)
  • Author(s): Daisuke Sugiura, Koichiro Sawakami, Mikiko Kojima, Hitoshi Sakakibara, Ichiro Terashima, Masaki Tateno
  • Journal Title: Functional Plant Biology Volume: 42 Issue: 4 Pages: 397-409
  • DOI: 10.1071/fp14212
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 落葉広葉樹の標高分布を決定する生理生態学的要因は何か？：ブナとダケカンバのケーススタディ (2017)
  • Author(s): 杉浦大輔、宮下彩奈、舘野正樹
  • Organizer: 日本生態学会第64回全国大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学（東京都新宿区）
  • Year and Date: 2017-03-21
• [Presentation] A decrease in mesophyll conductance contributes to photosynthetic down-regulation following a reduction in sink-source ratio (2016)
  • Author(s): Daisuke Sugiura, Ichiro Terashima. John R Evans.
  • Organizer: The 17th International Congress on Photosynthesis Research
  • Place of Presentation: Maastricht （Netherland)
  • Year and Date: 2016-08-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] シンク-ソース比変化に応答した光合成ダウンレギュレーションの多様性 (2016)
  • Author(s): 杉浦大輔、John Evans、寺島一郎
  • Organizer: 日本生態学会第63回全国大会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-21
• [Presentation] 葉の生理的特性と形態的特性はCNバランスの変化とどのようにリンクしているのか？ (2015)
  • Author(s): 杉浦大輔、別役恵理子、渡辺千尋、寺島一郎
  • Organizer: 日本生態学会第62回全国大会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学郡元キャンパス(鹿児島)
  • Year and Date: 2015-03-20 – 2015-03-24
• [Presentation] ダイコン (Raphanus sativus) におけるCNバランスと胚軸のシンク活性が葉の形態・生理的学的特性に与える影響の解析 (2015)
  • Author(s): 杉浦大輔、渡辺千尋、別役恵理子、寺島一郎
  • Organizer: 第56回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 東京農業大学世田谷キャンパス (東京)
  • Year and Date: 2015-03-16 – 2015-03-18
• [Presentation] CNバランスの変化に応じた葉の内部構造と維管束構造変化のメカニズム解析 (2014)
  • Author(s): 杉浦大輔、別役恵理子、渡辺千尋、寺島一郎
  • Organizer: 日本植物学会第78回大会
  • Place of Presentation: 明治大学生田キャンパス (神奈川)
  • Year and Date: 2014-09-12 – 2014-09-14
• [Presentation] Modified sink-source relationships by reciprocal grafting of leafy and radish varieties change morphology and physiology of leaves in Raphanus sativus. (2014)
  • Author(s): Daisuke Sugiura, Eriko Betsuyaku, Ichiro Terashima
  • Organizer: Gordon Research Conference: CO2 Assimilation in Plants.
  • Place of Presentation: Waterville Valley, NH, USA
  • Year and Date: 2014-06-08 – 2014-06-13