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炭酸固定酵素Rubiscoとその活性化酵素の多重増強によるイネの光合成能力の強化

Research Project

Project/Area Number 19J10653
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 38010:Plant nutrition and soil science-related
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

菅波 眞央  東北大学, 農学研究科, 特別研究員(PD)

Project Period (FY) 2019-04-25 – 2021-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥2,100,000 (Direct Cost: ¥2,100,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Keywordsイネ / 光合成 / Rubisco / Rubisco activase / 光合成改良 / 遺伝子組換え
Outline of Research at the Start

現在の大気条件における最大光合成速度の律速要因は炭酸固定酵素Rubiscoであることが知られている。しかしながら、Rubisco量を単独で増強しただけでは、光合成能力はほとんど向上しないことが明らかにされた。そこで、本研究では主要作物の一つであるイネを材料として、Rubiscoとともに、その活性化酵素であるRubisco activaseを同時増強することで、光合成能力の強化、および個体生育の改良を試みる。

Outline of Annual Research Achievements

イネの生産性向上には、光合成能力の強化は不可欠な課題である。炭酸固定酵素Rubiscoは現在の大気条件における最大光合成速度の律速要因であり光合成能力強化の有力なターゲットであるが、Rubiscoを過剰生産させたイネでは、期待されたほどの光合成速度の向上は見られなかった。これは、生体内で機能する活性化されたRubiscoの割合(Rubisco活性化率)が低下したことが原因だと考えられた。そこで、本研究ではRubiscoとともにRubisco活性化を担う酵素Rubisco activase (RCA)を同時過剰生産させることで光合成能力の強化、および個体生育の改良を試みる。
本年度はRubiscoとRubisco activaseの同時過剰生産イネの光合成機能の解析を行った。Rubisco量、RCA量の増加が確認された計3系統のRubisco・RCA同時過剰生産イネにおいて解析を行い、光飽和条件におけるRubisco活性化率は、いずれの系統でも野生型イネと同レベルまで回復していることが確認された。しかしながら、葉温25℃条件において、同時過剰生産イネの光合成速度に有意な変化は認められなかった。一方、夏場のほ場環境に相当する高温条件(葉温36℃)においては、現在の大気CO2濃度における光飽和光合成速度が約15%向上していることが確認された。高温条件における光合成をより詳細に評価するためA-Ci解析を行ったところ、低CO2環境における光合成速度の上昇は、Rubiscoタンパク質量とRubisco活性化率より算出した活性型Rubisco量と高い正の相関を示しており、Rubisco量の増加とRCA量増加によるRubisco活性化率の維持が光合成能力の向上に寄与したことを示した。本研究の成果は、米国植物科学会誌「Plant Physiology」に掲載された。

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。

Report

(2 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • Research Products

    (18 results)

All 2021 2020 2019

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 5 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Journal Article] Co-overproducing Rubisco and Rubisco activase enhances photosynthesis in the optimal temperature range in rice2021

    • Author(s)
      Suganami Mao、Suzuki Yuji、Tazoe Youshi、Yamori Wataru、Makino Amane
    • Journal Title

      Plant Physiology

      Volume: 185 Pages: 108-119

    • DOI

      10.1093/plphys/kiaa026

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Overproduction of chloroplast glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase improves photosynthesis slightly under elevated [CO2] conditions in rice2021

    • Author(s)
      Suzuki Yuji、Ishiyama Keiki、Sugawara Misaki、Suzuki Yuka、Kondo Eri、Takegahara-Tamakawa Yuki、Yoon Dong-Kyung、Suganami Mao、Wada Shinya、Miyake Chikahiro、Makino Amane
    • Journal Title

      Plant and Cell Physiology

      Volume: 62 Issue: 1 Pages: 156-165

    • DOI

      10.1093/pcp/pcaa149

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Phosphorus toxicity disrupts Rubisco activation and reactive oxygen species defence systems by phytic acid accumulation in leaves2020

    • 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

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Effects of overexpression of the Rubisco small subunit gene under the control of the Rubisco activase promoter on Rubisco contents of rice leaves at different positions2020

    • Author(s)
      Kudo Natsumi、Mano Kazuhisa、Suganami Mao、Kondo Eri、Suzuki Yuji、Makino Amane
    • Journal Title

      Soil Science and Plant Nutrition

      Volume: 66 Issue: 4 Pages: 569-578

    • DOI

      10.1080/00380768.2020.1780898

    • NAID

      210000158370

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effects of Overproduction of Rubisco Activase on Rubisco Content in Transgenic Rice Grown at Different N Levels2020

    • Author(s)
      Suganami Mao、Suzuki Yuji、Kondo Eri、Nishida Shinji、Konno So、Makino Amane
    • Journal Title

      International Journal of Molecular Sciences

      Volume: 21 Issue: 5 Pages: 1626-1626

    • DOI

      10.3390/ijms21051626

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      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Transgenic rice overproducing Rubisco exhibits increased yields with improved nitrogen-use efficiency in an experimental paddy field2020

    • Author(s)
      Yoon Dong-Kyung、Ishiyama Keiki、Suganami Mao、Tazoe Youshi、Watanabe Mari、Imaruoka Serina、Ogura Maki、Ishida Hiroyuki、Suzuki Yuji、Obara Mitsuhiro、Mae Tadahiko、Makino Amane
    • Journal Title

      Nature Food

      Volume: 1 Issue: 2 Pages: 134-139

    • DOI

      10.1038/s43016-020-0033-x

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      2019 Annual Research Report
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  • [Presentation] 欠損GS3遺伝子により大粒性を有した準同質遺伝子系統ノトヒカリの作出とほ場での収量評価試験2020

    • Author(s)
      尹 棟敬、香川昂亮、石山敬貴、菅波眞央、前忠彦、鈴木雄二、石田宏幸、牧野周、小原実広
    • Organizer
      日本土壌肥料学会2020年度岡山大会
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      菅波眞央、鈴木雄二、田副雄士、牧野周
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      日本土壌肥料学会2020年度岡山大会
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    • Author(s)
      鈴木雄二、石山敬貴、菅原水彩季、鈴木優佳、玉川夕紀、和田慎也、菅波眞央、近藤依里、三宅親弘、牧野周
    • Organizer
      日本土壌肥料学会2020年度岡山大会
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      尹 棟敬、香川昂亮、石山敬貴、菅波眞央、前忠彦、鈴木雄二、石田宏幸、小原実広、牧野周
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      日本土壌肥料学会2020年度岡山大会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] イネにおいてFlavodiiron proteinsは、Rubisco activaseの過剰発現による光阻害から回復させる2020

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      丸橋凌、菅波眞央、田副雄士、今野壮、和田慎也、山本宏、鹿内利治、牧野周
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      第62回日本植物生理学会
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  • [Presentation] RubiscoとRubisco activaseの同時過剰生産がイネの光合成に与える影響2020

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      菅波眞央、鈴木雄二、田副雄士、牧野周
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      第61回日本植物生理学会年会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 遺伝子組換え作物隔離ほ場におけるRubisco過剰生産イネの4年間の収量試験評価2020

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      尹 棟敬、石山敬貴、菅波眞央、香川昂亮、渡邊まり、伊丸岡芹菜、小倉真紀、田副雄士、石田宏幸、鈴木雄二、小原実広、前 忠彦、牧野 周
    • Organizer
      第61回日本植物生理学会年会
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] イネにおけるRubiscoとRubisco activaseの同時過剰生産が光合成に与える影響2020

    • Author(s)
      菅波眞央、鈴木雄二、田副雄士、牧野周
    • Organizer
      日本作物学会第249回講演会
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      2019 Annual Research Report
  • [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., Makino, A
    • Organizer
      The 10th International Meeting Photosynthesis and Hydrogen Energy Research for Sustainability 2019
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      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [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、菅波眞央、上田晃弘、鈴木雄二、牧野 周
    • Organizer
      第10回日本光合成学会年会
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      2019 Annual Research Report
  • [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、菅波眞央、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
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 遺伝子組換え隔離ほ場におけるRubisco過剰生産イネのバイオマス生産、窒素利用および収量解析2019

    • Author(s)
      尹 棟敬、石山敬貴、菅波眞央、香川昂亮、渡邊まり、伊丸岡芹菜、小倉真紀、田副雄士、石田宏幸、鈴木雄二、小原実広、前 忠彦、牧野 周
    • Organizer
      日本土壌肥料学会2019年度大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report

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Published: 2019-05-29   Modified: 2024-03-26  

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