2023 Fiscal Year Final Research Report

Global impact of marine secondary chloroplast estimated from the function of diatom pyrenoid.

Research Project

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Project/Area Number	19H01153
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Medium-sized Section 63:Environmental analyses and evaluation and related fields
Research Institution	Kwansei Gakuin University
Principal Investigator	Matsuda Yusuke 関西学院大学, 生命環境学部, 教授 (30291975)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	田中厚子琉球大学, 理学部, 准教授 (40509999) 原田尚志鳥取大学, 工学研究科, 准教授 (50640900) 嶋川銀河関西学院大学, 生命環境学部, 助教 (60853885) 米田広平関西学院大学, 理工学部, 助教 (10829104) 辻敬典京都大学, 生命科学研究科, 助教 (40728268)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2024-03-31
Keywords	海洋性珪藻 / 二次葉緑体 / ピレノイド / 一次生産 / 光合成
Outline of Final Research Achievements	We searched for pyrenoid constituent factors in marine diatoms and discovered a novel pyrenoid factor, PyShell, and a bicarbonate transporter candidate, Bestrophin (BST). A genome-editing disruption of PyShell gene resulted in a pyrenoid hypoplasia phenotype and a complete inhibition of the CO2 concentrating mechanism, and disruption of pyrenoid penetrating thylakoid (PPT) luminal θ carbonic anhydrase (luminal θ-CA) conferred a similar phenotype to the PyShell-KO phenotype. On the other hand, disruption of BST resulted in a relatively mild CCM suppression. Based on these results, we modeled the mechanism by which the pyrenoid structure with the PPT with the luminal θ-CA and the BST transport bicarbonate from the stroma to the PPT, generating CO2 in the pyrenoid. Furthermore, we revealed that the factors that make up this CO2-evolving machinery are widely expressed in the world oceans.
Free Research Field	植物生理学・水圏生命科学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	本研究は、地球上の年間CO2固定の約20%を担う海洋性珪藻の葉緑体の特異な構造（ピレノイド）とその機能を、分子レベルで初めて解明したものである。本研究の結果、新奇ピレノイド形成因子であるPyShellを世界に先駆けて発見し、その網目状の構造的特色も同時に示した。さらにピレノイドの機能に必須なBSTおよびPPT内腔型θ-CAの機能も分子レベルで明確にし、珪藻葉緑体構造機能の基本的な骨格を明確にした。これら発見と珪藻葉緑体構造機能のモデル化は、陸上植物や緑藻類と全く異なるCO2固定機構を学術界に新たに提示するものであると同時に、海洋におけるCO2固定の特異性を広く社会に示すものである。