光合成能力の限界突破：律速要因の特定と新規フェノタイピング技術の開発

• Project/Area Number: 18J00308
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Crop production science
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 冨永 淳 広島大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 光合成 / ルビスコ / ガス交換 / クチクラ / 葉内湿度 / 水分生理 / 作物生産 / モデル / リモートセンシング / 気孔 / コンダクタンス / 光誘導 / 環境応答 / 蒸散 / 作物生理

Outline of Annual Research Achievements

地球規模での気候変動や人口増加が進むなか、作物生産の基盤である光合成の改良が求められている。本研究は光合成改良を目標に、光合成律速機構の解明と光合成評価技術の開発をおこなった。

1. ルビスコ生合成因子BSD2が関与する新規光合成制御機構の発見: ルビスコの活性は光合成の主な律速要因である。我々はシロイヌナズナでBSD2を多く発現させると，ルビスコ活性が上昇しバイオマスが増加することを発見した。さらに詳細な解析から、BSD2が酸化不活性化したルビスコを還元活性化して光合成活性を維持していることをつきとめた。本成果は，植物の持つ潜在的な光合成能力を底上げすることで，作物生産を高められる可能性を示している。これまでに，BSD2高発現イネにおいてバイオマスの増加が確認できた。今後は本技術によって，イネを中心とした農作物の収量を向上できるのか検証する。
2. 新たな植物生理活性パラメーターの発見: 我々はこれまで計算で推定されてきた葉内CO2濃度（Ci）を直接測定することで，クチクラ層の水透過性を非破壊で測定する新たな方法を開発した。さらに、葉への水供給を断つと，葉内の湿度が80％以下にまで低下することを見いだした。本結果は、葉の水分動態における未知のメカニズムの存在とともに，光合成などの生理活性と密接に関わる葉の水分状態を測定できる可能性を示唆している。今後は本技術を用いて，作物のストレス耐性評価およびストレス診断技術の開発をおこなう。
3. 光合成マッピング技術の開発: 既存のガス交換モデルは均質な葉面（1次元）を仮定している。しかし実際には，葉の形態は空間的に不均一である。そこで、クロロフィル蛍光・赤外光イメージングをガス交換測定と組み合わせることで、光合成を葉面にマッピングする技術を開発した。本技術は、リモートセンシングによる光合成フェノタイピング技術の開発に資するものである。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of New Mexico(米国)
• [Int'l Joint Research] University of New Mexico(米国)
• [Int'l Joint Research] The University of New Mexico/University of Wyoming(米国)
• [Journal Article] Robust estimates of cuticle conductance on stomatous leaf surfaces during the light induction of photosynthesis (2020)
  • Author(s): Tominaga Jun、Stinziano Joseph R.、Hanson David T.
  • Journal Title: bioRxiv Volume: ‐
  • DOI: 10.1101/2020.05.28.120030
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Minimum conductance in leavesーcuticle, leaky stomata, or water vapor saturation? (2020)
  • Author(s): Tominaga Jun、Stinziano Joseph R.、Hanson David T.
  • Journal Title: bioRxiv Volume: ‐
  • DOI: 10.1101/2020.05.28.120634
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Where in the leaf is intercellular CO2 (Ci)? Considerations and recommendations for assessing gaseous diffusion in leaves (2020)
  • Author(s): Stinziano Joseph R.、Tominaga Jun、Hanson David T.
  • Journal Title: bioRxiv Volume: ‐
  • DOI: 10.1101/2020.05.05.079053
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Overexpression of BUNDLE SHEATH DEFECTIVE 2 improves the efficiency of photosynthesis and growth in Arabidopsis (2020)
  • Author(s): Busch Florian A., Tominaga Jun, Muroya Masato, Shirakami Norihiko..., Shimada Hiroshi
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: 102 Issue: 1 Pages: 129-137
  • DOI: 10.1111/tpj.14617
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Arabidopsis BSD2 reveals a novel redox regulation of Rubisco physiology in vivo (2020)
  • Author(s): Jun Tominaga, Shunichi Takahashi, Atsushi Sakamoto & Hiroshi Shimada
  • Journal Title: Plant Signaling & Behavior Volume: 15 Issue: 4 Pages: 1740873-1740873
  • DOI: 10.1080/15592324.2020.1740873
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Overexpression of the protein disulfide isomerase AtCYO1 in chloroplasts slows dark-induced senescence in Arabidopsis (2018)
  • Author(s): Tominaga Jun、Nakahara Yasutoshi、Horikawa Daisuke、Tanaka Ayumi、Kondo Maki、Kamei Yasuhiro、Takami Tsuneaki、Sakamoto Wataru、Unno Kazutoshi、Sakamoto Atsushi、Shimada Hiroshi
  • Journal Title: BMC Plant Biology Volume: 18 Issue: 1 Pages: 80-80
  • DOI: 10.1186/s12870-018-1294-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] BSD2は酸化失活ルビスコを還元再活性化し，光合成を増強する (2020)
  • Author(s): Florian A. Busch，冨永淳，高橋俊一，矢守航，Sara E. Milward，西村浩二，戸田陽介，高見常明，渡邊俊介，木下俊則，坂本亘，坂本敦，島田裕士
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
• [Presentation] BSD2は酸化失活ルビスコを還元再活性化し，光合成を促進する (2020)
  • Author(s): Florian A. Busch，冨永淳，高橋俊一，矢守航，Sara E. Milward，西村浩二，戸田陽介，高見常明，渡邊俊介，木下俊則，坂本亘，坂本敦，島田裕士
  • Organizer: 日本農芸化学会2020年度大会
• [Presentation] Estimation of cuticle conductance on the stomatous leaf surfaces (2019)
  • Author(s): Jun Tominaga, Joseph R. Stinziano, Roxana Khoshravesh, David T. Hanson
  • Organizer: Gordon Research Conference CO2 Assimilation in Plants from Genome to Biome, Innovations in Photosynthesis to Solve Global Challenges
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spatially resolved CO2 assimilation: gas exchange combined with thermal and chlorophyll fluorescence imaging (2019)
  • Author(s): Joseph R. Stinziano, Jun Tominaga, David T. Hanson
  • Organizer: Gordon Research Conference CO2 Assimilation in Plants from Genome to Biome, Innovations in Photosynthesis to Solve Global Challenges
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cuticle conductance during the light induction of photosynthesis (2019)
  • Author(s): Jun Tominaga, Joseph R. Stinziano, David T. Hanson
  • Organizer: GRC CO2 Assimilation in Plants from Genome to Biome
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spatially resolved CO2 assimilation: gas exchange combined with thermal and chlorophyll fluorescence imaging (2019)
  • Author(s): Joseph R. Stinziano, Jun Tominaga, David T. Hanson
  • Organizer: GRC CO2 Assimilation in Plants from Genome to Biome
  • Int'l Joint Research