Tracing the evolution of CAM-type photosynthesis: modification of carbon dioxide fixation of crops by genome editing

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K19120
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 39:Agricultural and environmental biology and related fields
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: Agarie Sakae 九州大学, 農学研究院, 教授 (50304879)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2024-03-31
• Keywords: CAM / 概日リズム / ゲノム編集 / 光合成 / シスエレメント / DMS-PCR / プライム編集

Outline of Final Research Achievements

This research aims to modify crop photosynthesis to confer extreme drought and salt tolerance. To introduce CAM into C3 plants, the researchers will edit the transcriptional regulatory sequences of CAM genes in C3 plants to place the associated genes under the control of clock genes. To identify the editing sites, they will identify cis-elements and transcription factors that control CAM gene expression and elucidate the factors required for CAM activation. They identified transcriptional regulators of CAM-related genes in C3 plants and identified sequences to be modified by genome editing. They also created vectors for prime editing and identified cis-factors and transcription factors involved in the C3-CAM transition in the common ice plant.

Free Research Field

植物生産生理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

CAM植物はC3植物から進化したと考えられている。C3植物のもつCAM光合成遺伝子はCAM植物と同じ反応を触媒するが，発現する時間が異なる。CAM型光合成の進化は，生物時計の制御する転写調節機構を獲得した過程とみなされる。本研究は，新しいゲノム機能解析及びゲノム編集技術を駆使して，植物が本来もっている遺伝子の発現調節部位に比較的小さな変異を挿入して炭酸固定能を改変しようとした。その成果は，ストレス耐性作物の創出，CAMの進化過程の分子機構及びCAMの生理学的意義の解明等にとって重要な知見となる。光合成の進化の過程を追認し再現するという挑戦的研究として高い可能性を有する研究である。