Molecular factors involved in determining the size and shape of starch granules in rice endosperm

• Project/Area Number: 23KF0207
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 外国
• Review Section: Basic Section 39020:Crop production science-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 青木 直大 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 教授 (70466811)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): TABASSUM REHENUMA 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2023-11-15 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥2,000,000 (Direct Cost: ¥2,000,000); Fiscal Year 2025: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2024: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2023: ¥400,000 (Direct Cost: ¥400,000)
• Keywords: デンプン粒 / イネ / 胚乳 / 子実サイズ / アミロース含量 / タンパク質含量

Outline of Research at the Start

コメに含まれる水分以外の物質の約90％はデンプンであり、7～8％はタンパク質である。そのため、デンプンやタンパク質の生合成や蓄積は米粒の大きさと重量、ひいては米の収量や品質を左右する重要な代謝過程である。本研究では、デンプン粒の大きさや形が異なるイネの系統や変異体の解析を通じて、(1)米粒の大きさと蓄積するデンプン粒の大きさとの関連性を明らかにする。(2)デンプン粒の大きさや形状の決定機構、および貯蔵タンパク質の蓄積機構を明らかにする。(3)デンプン粒およびタンパク質の蓄積、すなわちコメの収量や品質に関わる遺伝子とその環境応答を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

コメに含まれる水分以外の物質のうち約90％はデンプンであり、7～8％はタンパク質である。そのため、デンプンやタンパク質の生合成および蓄積は米粒の大きさと重量、ひいては米の収量や品質を左右する重要な代謝過程である。しかしながら、デンプン粒や貯蔵タンパク質の蓄積機構およびその環境応答には未だ不明な点が多い。当研究室は、子実中のデンプン粒の大きさや形に関するイネの変異体や品種を多数保有している。これらを供試材料として本研究では、(1)イネの子実の大きさと胚乳中に蓄積するデンプン粒の大きさとの関連性を明らかにする。(2) 受精後のイネ子実の胚乳に蓄積するデンプン粒の大きさと形状の決定機構、および貯蔵タンパク質の蓄積機構における液胞型インベルターゼの生理的・代謝的役割を明らかにする。(3)イネ胚乳におけるデンプン粒およびタンパク質の蓄積に関わる分子要因とその環境応答を明らかにする。
2023年度は、子実のサイズが異なるイネ系統を用いて、子実のサイズ（長さ、幅、厚さ）、胚乳に蓄積するデンプン粒の大きさおよびアミロース含量を測定し、系統間で比較した。水稲品種「日本晴」の液胞型インベルターゼ遺伝子機能欠損変異体（inv3）は、野生型に比べて子実サイズが小さくなる。このinv3変異体および野生型の子実からデンプン粒を精製し、デンプン粒のサイズを走査型電子顕微鏡を用いて測定したところ、野生型に比べてinv3変異体では胚乳デンプンのサイズが小さく、アミロース含量が低かった。また、子実サイズが異なる10品種について胚乳デンプンのアミロース含量を比較したところ、子実の長さおよび幅とアミロース含量との間に有意な正の相関が認められた。以上の結果から、子実のサイズとデンプン粒の大きさやアミロース含量との間に関係性があることが示唆された。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

子実のサイズが異なるイネ品種・系統から胚乳デンプンを精製し、走査型電子顕微鏡を用いてデンプン粒のサイズを測定する一連の手順が確立した。また、デンプン粒のみならず、胚乳細胞やアミロプラストのサイズを測定することも可能になった。これらサイズに関わるパラメータとアミロース含量との間に一定の関連性が認められたことは大きな成果である。これらのことから、本研究はおおむね当初計画どおりに進んでいると考える。

Strategy for Future Research Activity

今後は、初年度と同様の実験・解析を進め、供試系統の胚乳デンプン粒の形状・性状を明らかにするとともに、子実（玄米）のサイズ・形状と胚乳中に蓄積するデンプン粒のサイズ（形状）との間の関連性を検討する。また、胚乳デンプン粒の大きさと形状の決定機構における液胞型インベルターゼの生理的・代謝的役割を明らかにする。得られた解析結果は日本作物学会講演会で発表するとともに、英文原著論文として公表する。