2018 Fiscal Year Annual Research Report
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
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18J00308
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
冨永 淳 広島大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| Keywords | 気孔 / クチクラ / コンダクタンス / ガス交換 / 光誘導 / 環境応答 / 蒸散 / 作物生理 |
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| 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ます。光合成の改良には光合成能力の正確かつ迅速な評価（フェノタイピング）が必要です。本研究は、葉内のCO2濃度を直接測定することで、光合成律速機構の解明と光合成能力の迅速なフェノタイピング技術の開発を目指します。
葉内CO2濃度は光合成能力の評価や予測に必要不可欠です。ところが葉面の気孔が閉じると、クチクラ蒸散が葉内CO2濃度の計算に影響することが懸念されています。一般に、気孔は弱光の下で閉じる傾向にあります。そこで、変動光が葉内CO2濃度の計算に与える影響を調べました。
ヒマワリとタバコの葉に光をあて光合成を誘導し、葉内CO2濃度の実測値とガス交換測定からもとめた計算値とを比較しました。その結果、暗黒からの光誘導で計算値が実測値より顕著に大きく見積もられていました。また、気孔が開くにつれ両者の違いは小さくなりました。この結果は、計算値の予測よりもルビスコ（CO2固定酵素）の不活性化が起きている可能性を示唆しています。一方、十分に弱光（50PAR）誘導してから強光にあてた場合は、気孔が十分に開いていたため計算値と実測値の違いはわずかでした。暗黒からの光誘導では、直接測定からクチクラ層の水透過性（クチクラコンダクタンス）が推定され、計算値を補正できました。これら結果から、クチクラコンダクタンスは気孔開度に応じて光合成能力の評価を大きく左右することが分りました。
以上のように、葉内CO2濃度を直接測定することで既存の光合成測定よりも高い精度で光合成能力や環境応答を評価できることが分りました。今後は、環境ストレス下の光合成測定に用いて、光合成律速機構の詳細を明らかにします。また、光合成パラメーターの葉面マッピングを応用した光合成フェノタイピング技術の開発に活用します。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
課題申請当初は、実施3年目に米国The University of New Mexicoに派遣され共同研究を開始する予定でした。しかし、派遣先のDavid Hanson 教授と打ち合わせをおこない、できるだけ早期に当研究室で研究を始めることで最大限の研究成果が得られるという考えで一致し、6月上旬に渡米しました。
研究計画に大きな変更はなく、本研究遂行の基盤となる葉内CO2濃度直接測定システムもHanson研究室と共同で開発され、同研究室が所有する最新鋭の光合成測定装置へスムーズに導入することができました。上述したように本測定装置を用いた実験で既に研究成果もえられています。また、同研究室が所有する最新鋭のレーザー型質量分析計も光合成測定装置へと接続され、実験環境は予想以上に整っています。
米国に研究拠点を移し、当初予定していた光合成関連の遺伝子組換え体にアクセスしづらくなりましたが、より高精度かつ包括的な光合成解析が可能となったことで光合成の律速機構解明を十分に進展させられると考えています。また、最新鋭の2次元クロロフィル蛍光・近赤外光測定装置と光合成ガス交換測定を合わせた光合成マッピング技術を新たに開発しており、光合成フェノタイピング技術の開発では当初の予想以上の成果がえられると考えています。
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| Strategy for Future Research Activity |
葉内CO2濃度直接測定システムを導入した光合成ガス交換測定システム（前年度に開発）を用いて、環境ストレスによる光合成律速機構を明らかにします。本ガス交換測定システムにレーザー式質量分析をオンラインで導入することで、光合成の律速要因を包括的に定量評価します。
さらに、本システムをクロロフィル蛍光および赤外光イメージングシステムと同時に用いることで、葉のガス交換をマッピングし、光合成律速要因を2次元的に解析します。光合成マッピングのスナップショットから光合成活性および律速要因を瞬時に評価する方法を開発します。
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