光呼吸系の再評価に基づく光合成を飛躍的に高める試験研究

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10556077
• Research Institution: Kyoto Prefectural University
• Principal Investigator: 竹葉 剛 京都府立大学, 人間環境学部, 教授 (10046500)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 早川 孝彦 三菱, 植工研, 主任研究員 ; 山下 博史 京都府立大学, 人間環境学部, 助手 (50264750) ; 田中 歩 北海道大学, 低温科学研究所, 教授 (10197402)
• Keywords: 光合成 / 光呼吸 / ルビスコ / グルタミン合成酵素 / イネ / ヒマワリ / ナス / 光傷害

Research Abstract

光呼吸系は、葉緑体内のCO2濃度が低下するとRubiscoのオキシゲナーゼ作用がおこり、その産物であるグリコール酸が代謝され、その結果細胞内でCO2を発生させる代謝機能である。特に強光を受ける柵状組織中の葉緑体内では光合成が盛んになりCO2が不足する一方で、CO2の拡散供給速度が高くないので、光呼吸が活発に起こる。このとき、光呼吸系の活性が低いとCO2を十分に供給できず、やがては光傷害を起こす。本研究は、このメカニズムをさらに詳細に研究することによって、作物の光合成を飛躍的に高めることをめざすことを研究目標としている。今年度の研究成果は次の通りである。
1)初年度に購入したWALZ社の光合成測定装置を用いて、光合成と光呼吸との関係を詳細に調べた。その結果、強光下で光呼吸が抑制される2%CO2条件下におくと、光呼吸を行うことのできる21%O2条件下と比較して、どの植物も光合成が徐々に低下することが判明した。その原因は、2%O2条件下では、光化学系の光傷害が進行するためであることも明らかとなった。
2)光合成量の高い植物(イネ、ヒマワリ、ナスなど)では、葉の表裏に気孔が発達しており、さらに細胞間隙も発達していること、のために、強光下でCO2の拡散供給速度が比較的高いこと、が判明した。
3)したがって、作物の光合成を飛躍的に高めるには、CO2の拡散速度を高める方向の育種が有効であること、さらに光傷害を受けないように光呼吸系の酵素活性を高める方向の育種が有効であること、が判明した。

Research Products

• [Publications] Tanaka, A., et al.: "Isolation of chlorophyll a oxygenase which is involved in chlorophyll a formation from chlorophyll a"Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 95. 12719-12723 (1998)
• [Publications] 竹葉 剛、栗山雅光: "植物のCO2固定のメカニズム"都市緑化技術. 30. 10-13 (1998)
• [Publications] Tamura, N., H. Takahashi et al.: "The nitrate reductase gene isolated from DNA of cultured spinach cells"Biochim. Biophys. Acta. 1338. 151-155 (1997)
• [Publications] Tanaka, O., Y. Nakayama et al.: "Flower-inducing activity of lysine in Lemna paucicostata 6746"Plant Cell Physiol.. 38. 124-128 (1997)
• [Publications] 木崎暁子、竹葉 剛: "植物の陸上化と光呼吸"遺伝. 51. 9-11 (1997)
• [Publications] 竹葉 剛: "省施肥・ストレス耐性植物の育成"バイオサイエンスとインダストリー. 55. 35-36 (1997)
• [Publications] Takeba, G and A. Kozaki: "Photorespiration an essential mechanism for the protection of C3 plants from photooxidation. In Stress Responses of Photosynthetic Organisms"Elsevir Amsterdam.. 22 (1998)
• [Publications] Tanaka, A. et al.: "Molecular Biology to Biotechnology"Redox reactions in the last steps of chlorophyll biosynthesis in the chloroplast.. 6 (1999)