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

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18J00852
• 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
• Keywords: リン酸 / ATPアーゼ / 光合成 / 植物栄養学 / イネ / 植物生理学

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 Pages: -
  • DOI: doi.org/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 & Environment Volume: in press Pages: -
  • DOI: doi: 10.1111/pce.13772.
  • Peer Reviewed
• [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 Pages: -
  • DOI: doi.org/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: - Pages: -
  • DOI: doi: 10.3389/fpls.2019.00686
  • 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