2019 Fiscal Year Research-status Report
Screening mutant lines showing enhanced water use efficiencies with a newly developed system for its visualization
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18KK0170
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
矢守 航 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 准教授 (90638363)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
寺島 一郎 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (40211388)
大政 謙次 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 特任研究員 (70109908)
杉浦 大輔 名古屋大学, 生命農学研究科, 助教 (50713913)
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| Project Period (FY) |
2018-10-09 – 2022-03-31
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| Keywords | 水利用効率 / 光合成 / 蒸散 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本申請研究では、節水条件において高い生産性を示す植物の創成を目指す。その第一段階として、クロロフィル蛍光と葉温の可視化技術を組み合わせることによって、光合成速度と蒸散速度を同時評価し、植物の水利用効率の可視化を試みている。本年度、光化学系Ⅱにおける電子伝達の実効量子収率 (ΦPSⅡ) を蛍光画像より可視化する二次元クロロフィル蛍光装置を構築し、プログラミング言語Pythonを活用し、上記のイメージングおよび数値解析を全自動で行う独自プログラムを構築した。これによって、光合成活性の迅速な定性・定量解析が可能となった。
また、植物の水利用効率の遺伝的改良に向けた基盤研究を行った。作物が灌漑水の節減条件下で高い生産性を示すためには、植物自身の水分吸収能力や吸水量あたりの光合成能力 （つまり、水利用効率）を高めることが必要である。水利用効率に影響を及ぼす要因の一つとして、細胞間隙から葉緑体にかけてCO2の通りにくさ（つまり、葉肉抵抗）を挙げることができる。本年度は、国際共同研究先のEvans研究室（オーストラリア国立大）に赴き、高性能レーザー分光装置を用いて、葉肉抵抗を評価した。その結果、葉肉抵抗、光合成速度と蒸散速度の変動する光に対する挙動を世界で初めて捉えることに成功した。
さらに、申請者らがこれまで得た研究成果に伴って、シロイヌナズナにおいてPATROL1が節水条件における物質生産能力の強化に有効なターゲットとなるかを検証した。本研究成果によって、PATROL1遺伝子をシロイヌナズナにおいて過剰発現すると、水利用効率を高く保ったまま、植物成長速度が向上することを新たに明らかにし、PATROL1が水利用効率の向上のターゲットになることを世界に先駆けて証明した（Kimura et al., 2020, J. Exp Bot.）。
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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
クロロフィル蛍光と葉温の可視化技術を組み合わせることによって、光合成速度と蒸散速度を同時評価し、植物の水利用効率の可視化を試みている。これまでに、光化学系Ⅱにおける光合成電子伝達のパラメータを蛍光画像より可視化する二次元クロロフィル蛍光装置を構築した。今後、蒸散速度を正確に可視化することのできる装置を構築し、それと二次元クロロフィル蛍光測定装置とを組み合わせ、さらに、水利用効率の可視化を全自動で行うプログラムを開発することによって、水利用効率の新規可視化装置の構築を試みたい。
また、植物の水利用効率の遺伝的改良に向けた基盤研究を行った。これまでに、シロイヌナズナにおいて、気孔開閉の制御に関与すると報告されているPATROL1の水利用効率に関する機能を解明し、PATROL1が灌漑水の節減条件下における物質生産能力の強化に有効なターゲットとなることを示した。PATROL1遺伝子と非常に似た遺伝子がイネやソルガムなどの作物やポプラなどの樹木にも存在しているため、これらの植物においても過剰発現体によるバイオマス増産に期待できる。そこで、今後、PATROL1遺伝子を過剰発現した形質転換体イネを材料に、、PATROL1が水利用効率に及ぼす影響を調べる予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
乾燥ストレスが過酷にならない程度の水資源制限下で、高い水利用効率を実現する植物創成を手掛けた例は極めて少ない。今後、灌漑水を節減した条件下で、生産性を維持・向上する節水型農業が求められるため、植物の水利用効率の向上に関する研究は必須である。そこで、本申請研究では、節水条件において高い生産性を示す植物の創成を目指す。2020年度は引き続き、水利用効率の可視化装置の構築に向け、クロロフィル蛍光測定装置から光合成に関する各パラメータの可視画像を自動で出力するようにプログラムを修正し、大規模スクリーニングにも適用できるように改変する。また、赤外線サーモグラフィによる可視画像の出力も行えるようにプログラムを作製する。可視化装置の構築が終われば、変異体リソースの迅速スクリーニングにより、水利用効率の向上に関する新規遺伝子の探索を開始する。
また、植物の水利用効率の遺伝的改良に向けた基盤研究も行う。これまでに水利用効率向上の具体例として、気孔開閉の制御に関与すると報告されているPATROL1の水利用効率に関する機能を解明してきた。今後、乾燥ストレスや高温ストレスをかけた際の光合成や水利用効率の挙動を解析し、PATROL1が節水条件における物質生産能力の強化に有効なターゲットとなるかを検証する。また、イネにおいてPATROL1を高発現することによって、節水条件における物質生産能力の強化に有効なターゲットとなるかも同様に検証する。
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| Causes of Carryover |
市販の測定装置を組み合わせて植物の水利用効率の可視化装置の構築を目指したが、可視画像の出力に不具合が生じたため、市販の測定装置の購入を断念した。そこで、研究計画を見直して、当研究グループの所有するクロロフィル蛍光測定装置と赤外線サーモグラフィを連結することによって、植物の水利用効率の可視化に挑んでいる。そこで、次年度は、クロロフィル蛍光測定装置と赤外線サーモグラフィを連結するのに必要なパーツやソフト開発に必要な消耗品を購入する予定である。
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