Synthetic biological approach to clarify the network of proton motive force

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H00992
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 44:Biology at cellular to organismal levels, and related fields
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Shikanai Toshiharu 京都大学, 理学研究科, 教授 (70273852)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 光合成 / 葉緑体 / 電子伝達 / サイクリック電子伝達 / PTOX / ATP合成酵素

Outline of Final Research Achievements

To adapt to the stressful light environments, angiosperms have made some decisions which could not be canceled. To ask the reason for the decision, we took the synthetic biological approach to create the plants which selected the different evolution. It is mysterious that angiosperms gave up the flavodiiron (Flv) protein, which is an excellent safety valve for electrons. Introduction of Physcomitrella patens Flv into angiosperms actually makes them more resistant to fluctuation of light intensity. In this study, we focused on another safety valve PTOX, which leaks electrons from the plastoquinone pool. In the chloroplast ATP synthase, the Fo-ring consists of 14 c subunits. This number determines how many protons are needed for the synthesis of a molecule of ATP. Because it affects the total proton budget in chloroplasts, this was also a definitive design of eukaryotic photosynthetic machinery. We created the tobacco plants with a ring consisting of 15 c subunits.

Free Research Field

植物生理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

植物の基本的な光合成反応装置は、シアノバクテリアから被子植物まで保存されているが、調節機構については、ある程度の多様性が見られる。それは、それぞれの光合成生物が異なる光環境に適応したためである。本研究は、適応装置を大きく入れ替えることにより、被子植物が何故、現在の装置を選んだのか、今まで答える手段がなかった問いに迫るものである。またその成果から、調節機構には驚くべき可塑性があり、作物の光環境ストレスに対する耐性を強化する試みにつながる可能性がある。実際、我々は、安全弁の一つであるFlvをイネに導入し、その変動光耐性の強化を報告している。