アポプラスト環境に着目した無傷葉の気孔開閉制御機構の分子基盤の解明

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20J00392
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 安藤 英伍 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2023-03-31
• Keywords: 気孔応答

Outline of Annual Research Achievements

植物の表皮に存在する気孔は、太陽光中に含まれる赤色光や青色光に応答して開き、光合成に必要な二酸化炭素の取り込みを促進する一方、暗黒下や二酸化炭素濃度の上昇に応じて閉鎖し、植物体からの水分損失を防ぐ役割を担う。これまでに、青色光は気孔孔辺細胞に発現する細胞膜H+-ATPase（以下H+ポンプ）のC末端のリン酸化を介した活性化を誘導することで気孔開口の駆動力を形成することが明らかにされてきた。さらに葉全体を用いた免疫組織化学的な解析から、赤色光が光合成を介してH+ポンプのリン酸化を引き起こしており、H+ポンプが赤色光による気孔開口にも必要であることが示された。本研究では、光合成に起因する葉内環境の変化が、孔辺細胞のH+ポンプの制御を通じて気孔開閉の調節に関わっている可能性について検証し、その仕組みの解明を目指す。以下に本年度の研究実施状況を記す。
1. 細胞外からの糖類添加実験
赤色光による光合成依存的なH+ポンプのリン酸化を引き起こす分子として、葉肉光合成に由来する二糖がH+ポンプのリン酸化レベルに与える影響について、詳細なタイムコースや濃度依存性を調べる実験を行った。同様の処理による気孔開度の変化についても調査中である。
2. 暗黒下の気孔応答とCO2の関係
明条件から暗黒下に移した葉における孔辺細胞のH+ポンプの急速な脱リン酸化に関して、光合成の停止に伴う葉内二酸化炭素濃度の上昇との関係を検証するために、気孔の二酸化炭素応答に関わる既知の因子の変異体解析を進めた。さらに、二酸化炭素処理した葉を用いて孔辺細胞のH+ポンプのリン酸化レベルを調べる実験系を検討し、予備的な結果を得た。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2020年4月の緊急事態宣言の影響で研究の開始に遅れが出たものの、その後は実験に用いる植物の栽培環境等を直ちに整え研究を進められている。特に暗黒下の気孔応答に関するテーマでは、二酸化炭素と孔辺細胞のH+ポンプの関係を調べる実験系の構築と予備的データの取得までできており当初の予定通り以上の進捗状況である。よって、本研究はおおむね順調に進展しているものと考えられる。

Strategy for Future Research Activity

1. 細胞外糖類等の効果
単糖など、他の光合成産物の候補の調査も進めるとともに、最近気孔開口に影響することが報告された糖類の輸送体の変異体について、孔辺細胞のH+ポンプのリン酸化制御の観点から調査を進める。

2. 暗黒下の気孔応答
葉に対する二酸化炭素処理の孔辺細胞のH+ポンプのリン酸化レベルに対する効果を調べる実験や変異体を用いた解析を進める。並行して論文投稿に向けた準備を行う。