Elucidation of the new mechanism for preventing reactive oxygen species production depending on chloroplastic ATP synthase in land plants

• Project/Area Number: 18J00852
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Plant nutrition/Soil science
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 高木 大輔 東北大学, 農学研究科, 特別研究員(PD) (80825654)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); 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: リン酸 / ATPアーゼ / 光合成 / 植物栄養学 / イネ / 植物生理学 / Rubisco / 光傷害

Outline of Annual Research Achievements

野生型イネ(ノトヒカリ)を異なる無機リン酸(Pi)施肥条件下で栽培し、無機リン酸量を増大させた生葉における光合成駆動時の葉緑体局在型ATPシンターゼの回転活性(gH+)は、高リン酸施肥により葉身Pi量が増加する条件で低下することを明らかとした。本年度は同条件下において光合成駆動時の代謝物の定量を行うことでATPシンターゼの回転活性低下の原因解明を試みた。ノトヒカリをリン酸施肥条件を5区画(低Pi条件,標準Pi条件、標準2倍量Pi施肥条件、標準3倍量Pi施肥条件、標準4倍量Pi施肥条件、標準5倍量Pi施肥条件)設定し、水耕栽培条件下で生育させた。発芽後70日以降の最上位展開葉を明条件下でサンプリングした後に、早急に液体窒素にて凍結させ光合成駆動時の代謝反応を即時に停止させた。サンプリングした葉は、代謝物抽出後にトリプル四重極キャピラリー電気泳動質量分析装置により各種代謝物の定量を行った。これに加え、ATPシンターゼ活性変異体の作成は、ノトヒカリを用い、gH+活性制御に関わると考えられるγ-subunitのATPシンターゼ過剰発現体及びゲノム編集体の作成を行った。
代謝物解析の結果、ATP、ADP、AMPの全量はリン酸施肥量の増加に伴って増加することが明らかとなったが、光合成駆動時のATP/ADP比の算出を行うとリン酸施肥量の増加に伴ってATP/ADP比が有意に増大することが明らかとなった。このATPが余剰する状況は、前年度に明らかとしたRubiscoの活性化率低下に伴うカルビンサイクルの回転速度の低下と一致するデータである。これらの結果から、gH+はこれまで報告されていたような単純に細胞内のPi量によって変動するだけではなく、葉緑体内部の代謝回転をATP/ADP比の変化で検知することで変化していることが新規に明らかとなった。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Overproduction of PGR5 enhances the electron sink downstream of photosystem I in a C4 plant, Flaveria bidentis (2020)
  • Author(s): Tazoe Y., Ishikawa, N., Shikanai, T., Ishiyama, K., Takagi, D., Makino, A., Sato, F. and Endo, T.
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: in press Issue: 2 Pages: 814-823
  • DOI: 10.1111/tpj.14774
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Phosphorus toxicity disrupts Rubisco activation and reactive oxygen species defence systems by phytic acid accumulation in leaves (2020)
  • Author(s): Takagi D, Miyagi A, Tazoe Y, Suganami M, Kawai-Yamada M, Ueda A, Suzuki Y, Noguchi K, Hirotsu N, Makino A
  • Journal Title: Plant, Cell and Environment Volume: － Issue: 9 Pages: 2033-2053
  • DOI: 10.1111/pce.13772
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Photosynthetic model membranes of natural plant thylakoid embedded in a patterned polymeric lipid bilayer (2020)
  • Author(s): Yoneda, T., Tanimoto, Y., Takagi, D., Morigaki, K.
  • Journal Title: Langmuir Volume: in press Issue: 21 Pages: 5863-5871
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.0c00613
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Growth light environment changes the sensitivity of photosystem I photoinhibition depending on common wheat cultivars (2019)
  • Author(s): Takagi, D., Ihara, H., Takumi, S. and Miyake, C.
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: -
  • DOI: 10.3389/fpls.2019.00686
  • NAID: 120006645719
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Antimycin A inhibits cytochrome b(559)-mediated cyclic electron flow within photosystem II (2019)
  • Author(s): Takagi D. Ifuku K. Nishimura T. and Miyake C.
  • Journal Title: Photosynthesis Research Volume: 139 Issue: 1-3 Pages: 487-498
  • DOI: 10.1007/s11120-018-0519-7
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Oxidation of the reaction center chlorophyll of photosystem I is stimulated via a series of the responses of the photosynthetic electron transport reactions under drought stress at high temperature in rice (2019)
  • Author(s): Wada Shinya、Takagi Daisuke、Miyake Chikahiro、Makino Amane、Suzuki Yuji、
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of genetic manipulation of the activity of photorespiration on the redox state of photosystem I and its robustness against excess light stress under CO2-limited conditions in rice (2018)
  • Author(s): Wada Shinya、Suzuki Yuji、Takagi Daisuke、Miyake Chikahiro、Makino Amane
  • Journal Title: Photosynthesis Research Volume: 137 Issue: 3 Pages: 431-441
  • DOI: 10.1007/s11120-018-0515-y
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] アンチマイシンAが引き起こす光化学系Ⅱ内部のシトクロムb559への阻害効果 (2018)
  • Author(s): 高木大輔、伊福健太郎
  • Journal Title: 光合成研究 Volume: 28 Pages: 82-93
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Evaluation of functional LHCI size and a relationship between LHCI and PSI photoinhibition in rice leaves. (2020)
  • Author(s): Takagi, D., Ifuku, K. and Makino, A
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会大阪年会
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 光合成電子伝達反応における電子蓄積が陸上植物におけるリン酸毒性発症のトリガーとなる (2019)
  • Author(s): 高木大輔、田副雄士、菅波真央、上田晃弘、鈴木雄二、牧野周
  • Organizer: 第10回日本光合成学会
• [Presentation] イネ生葉における過剰なリン酸蓄積が枯死を引き起こすメカニズムの解明 (2019)
  • Author(s): 高木大輔、田副雄士、菅波真央、上田晃弘、鈴木雄二、牧野周
  • Organizer: 日本土壌肥料学会2019年度大会
• [Presentation] Phosphorus toxicity decreases both electron sink activity and anti-oxidative activity in rice leaves (2019)
  • Author(s): Takagi, D., Tazoe, Y., Suganami, M., Ueda, A., Suzuki, Y. and Makino, A.
  • Organizer: The 10th International Conference “Photosynthesis and Hydrogen Energy Research for Sustinability-2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Excess phosphorus supply inhibits growth by the decreases in Rubisco activation and anti-oxidant systems in rice plants (2019)
  • Author(s): Daisuke Takagi, Youshi Tazoe, Mao Suganami, Akihiro Ueda, Yuji Suzuki, Amane Makino
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会
• [Presentation] アンチマイシンAは光化学系IIにおけるシトクロムb559を介した循環的電子伝達反応を阻害する (2018)
  • Author(s): 高木大輔、伊福健太郎、西村太志、三宅親弘
  • Organizer: 第9回日本光合成学会
• [Presentation] Excess phosphorus declines the Rubisco activation state and inhibits photosynthesis in rice leaves (2018)
  • Author(s): Takagi D., Tazoe Y., Suganami M., Ueda A., Suzuki Y., Makino A.
  • Organizer: International symposium on photosynthesis and chloroplast biogenesis 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Antimycin A inhibits Cytochrome b559-mediated cyclic electron flow within photosystem II (2018)
  • Author(s): Takagi D. and Ifuku K
  • Organizer: A joint meeting of the American Society of Plant Biologists, Canadian Society of Plant Biologists/Societe Canadienne de Biologie Vegetale, and the International Society of Photosynthesis Research
  • Int'l Joint Research