Rubiscoのターンオーバーの分子的背景と窒素栄養の関係の解析

• 研究課題/領域番号: 15380046
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 植物栄養学・土壌学
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 前 忠彦 東北大学, 大学院農学研究科, 教授 (60134029)
• 研究分担者: 牧野 周 東北大学, 大学院農学研究科, 助教授 (70181617) ; 石田 宏幸 東北大学, 大学院農学研究科, 助手 (60312625) ; 鈴木 雄二 東北大学, 大学院農学研究科, 助手 (80374974)
• 研究期間 (年度): 2003 – 2006
• 研究課題ステータス: 完了 (2006年度)
• 配分額: 15,800千円 (直接経費: 15,800千円); 2006年度: 3,900千円 (直接経費: 3,900千円); 2005年度: 3,900千円 (直接経費: 3,900千円); 2004年度: 2,700千円 (直接経費: 2,700千円); 2003年度: 5,300千円 (直接経費: 5,300千円)
• キーワード: Rubisco / ターンオーバー / 生成・分解 / rbcS / rbcL / Rubisco-containing body / 活性酸素 / 断片化 / 窒素栄養 / イネ / 老化 / オートファジー / rbcS遺伝子ファミリー / 窒素 / RBC / 分解 / プロテアーゼ / 葉緑体 / 小胞

研究概要

Rubiscoのターンオーバーの分子的基盤として葉の発達・衰退過程におけるRubiscoタンパク質の生成量と分解量の変動とrbcS及びrbcL mRNAsの変動の関係について調べた。Rubiscoの生成は葉の展開過程が最も盛んで展開終了時までに一生における生成の大部分を終え、老化課程での生成量は少なかった。またrbcS及びrbcL mRNAsは、ほぼ生成量に見合って変動していた。一方、培地の窒素栄養レベルは、Rubisco生成量、mRNAs量に反映され、窒素レベルが高いほど生成量、mRNAs量も多くなった。老化過程でも高い窒素栄養レベルで栽培するとRubiscoの生成が見られ、rbcS及びrbcL mRNAs量も増加していたが単位mRNA量当たりのRubisco生成量は老化の進行とともに減少した。いずれの状況下においても、Rubiscoの生成量は葉への窒素分配量とパラレルな関係にあり、転写のみならず翻訳レベルでの制御がインタクト葉では重要なRubisco量の調節因子として働いていることが明らかとなった。さらに、rbcSをコードする遺伝子は5種存在することからそれらの窒素応答、組織、器官特異的発現について調べたところ、これら遺伝子問で差異があることが明らかとなった。
Rubiscoの分解機構については、先に我々により見出された光照射下の単離葉緑体及びその破砕液におけるヒドロキシルラジカルを介したRubiscoの直接的な断片化が、インタクトなキュウリ葉においても実際に起こりうることが証明された。また葉には葉緑体以外にRubiscoを含む新規の小顆粒が存在することを我々が初めて見出し、Rubisco-containing body(RCB)との名称を与え、その生理学的な意義を探った。その結果、この顆粒の数は老化初期に特異的に多くなることが明らかとなった。RCBはRubiscoをはじめとする葉緑体のストローマ画分を含んでおりチラコイド画分は含んでいなかった。そして葉の老化過程やストレス下でのストローマ画分タンパク質のバルクの分解に関わっている可能性が示唆された。すなわち、葉緑体のストローマ画分を含む突出組織(ストロミュール?)の形成、隔離膜によるRCBの形成、オートファジー(様)機構を介したRCBの液胞への輸送、液胞でのRCBの分解との仮説を提唱した。

研究成果

• [雑誌論文] Increased Rubisco content in transgenic rice transformed with "sense" rbcS gene. (2007)
  • 著者名/発表者名: Suzuki, Y., 他9名
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 48・4 ページ: 626-637
  • NAID: 10027001603
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Increased Rubisco content in transgenic rice transformed with "sense" rvcS gene. (2007)
  • 著者名/発表者名: Suzuki, Y., Ohkubo, M., Hatakeyama, H., Ohashi, K., Yoshizawa, R., Kojima, S., Hayakawa, T., Yamaya, T., Mae, T., Makino, A.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 48 (4) ページ: 626-637
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Increased Rubisco Content in Transgenic Rice Transformed with "Sense" rbcS Gene (2007)
  • 著者名/発表者名: Suzuki, Y.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 48(印刷中)
  • NAID: 10027001603
• [雑誌論文] 地球生物を支えるルビスコ (2006)
  • 著者名/発表者名: 前 忠彦
  • 雑誌名: J. Germfree Life and Gnotebiology 36 ページ: 39-41
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] In vivo fragmentation of the large subunit of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase by reactive oxygen species in an intact leaf of cucumber under chilling-light conditions. (2006)
  • 著者名/発表者名: Nakano, R., Ishida, H., Makino, A., Mae, T.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 47・2 ページ: 270-276
  • NAID: 10017272734
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] A. A large-grain cultivar, Akita 63, exhibits high yields with high physiological N-use efficiency. (2006)
  • 著者名/発表者名: Mae, T., Inaba, A., Kaneta, Y., Masaki, S., Sasaki, M., et al.
  • 雑誌名: Field Crops Res. 97 ページ: 227-237
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Rubisco supports all the living organisms on the earth. (2006)
  • 著者名/発表者名: Mae, T.
  • 雑誌名: J.Germfree Life and Gnotebiology 36 ページ: 39-41
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] In vivo fragmentation of the large subunit of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase by reactive oxygen species in an intact leaf of cucumber under chilling-light conditions. (2006)
  • 著者名/発表者名: Nakano, R., Ishida, H., Makino, A., Mae, T.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 47 (2) ページ: 270-276
  • NAID: 10017272734
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] A large-grain cultivar, Akita 63, exhibits high yields with high physiological N-use efficiency. (2006)
  • 著者名/発表者名: Mae, T., Inaba, A., Kaneta, Y., Masaki, S., Sasaki, M., Aizawa, M., Okawa, S., Hasegawa, S., Makino, A.
  • 雑誌名: Field Crops Res. 97 ページ: 227-237
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Agriculture and Soil Science and Plant Nutrition in the northeastern region of Japan (2006)
  • 著者名/発表者名: Mae, T.
  • 雑誌名: Organizing Committee of the Annual Meeting of the Society of Soil Science and Plant Nutrition 2006 ページ: 298-298
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] In vivo fragmentation of the large subunit of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase by reactive oxygen species in an intact leaf of cucumber under chilling-light conditions. (2006)
  • 著者名/発表者名: Nakano, R.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 47 ページ: 270-276
• [雑誌論文] 地球生物を支えるルビスコ (2006)
  • 著者名/発表者名: 前 忠彦
  • 雑誌名: Journal of Germfree Life and Gnotebiology 36・1 ページ: 39-41
• [雑誌論文] A large-grain rice cultivar, Akita 63, exhibits high yields with high physiological N-use efficiency (2006)
  • 著者名/発表者名: Mae, T.
  • 雑誌名: Field Crops Res. 97・2 ページ: 227-237
• [雑誌論文] In vivo fragmentation of the large subunit of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase by reactive oxygen species in an intact leaf of cucumber under chilling-light conditions. (2006)
  • 著者名/発表者名: Nakano, R., Ishida, H., Makino, A., Mae, T.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol., 47(印刷中)
  • NAID: 10017272734
• [雑誌論文] Response of rice to p(CO_2) enrichment. The relationship between photosynthesis and nitrogen metabolism. (2005)
  • 著者名/発表者名: Seneweera, S., Makino, A., Mae, T., Basra, A.S.
  • 雑誌名: J. Crop Improvement 13 ページ: 31-53
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Effects of nitrogen nutrition on the relationships between the levels of rbcS and rbcL mRNAs and the amounts of ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase synthesized in the eighth leaves of rice from emergence through senescence. (2005)
  • 著者名/発表者名: Imai, K., Makino, A., Mae, T.
  • 雑誌名: Plant Cell Environ. 28 ページ: 1589-1600
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] The photosynthetic properties of rice leaves treated with low temperature and high irradiance. (2005)
  • 著者名/発表者名: Hirotsu, N., Makino, A., Yokota, S., Mae, T.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 46・8 ページ: 1377-1383
  • NAID: 40006818169
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Response of rice to p(CO2) enrichment. The relationship between photosynthesis and nitrogen metabolism. (2005)
  • 著者名/発表者名: Seneweera, S., Makino, A., Mae, T., Basra, A.S.
  • 雑誌名: J.Crop Improvement 13 ページ: 31-53
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Effects of nitrogen nutrition on the relationships between the levels of rbcS and rbcL mRNAs and the amounts of ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase synthesized in. the eighth leaves of rice from emergence through senescence. (2005)
  • 著者名/発表者名: Imai, K., Makino, A., Mae, T.
  • 雑誌名: Plant Cell Environ. 28 ページ: 1589-1600
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] The photosynthetic properties of rice leaves treated with low temperature and high irradiance. (2005)
  • 著者名/発表者名: Hirotsu, N., Makino, A., Yokota, S., Mae, T.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 46 (8) ページ: 1377-1383
  • NAID: 40006818169
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Rice is life : Scientific Perspectives for the 21st Century. (2005)
  • 著者名/発表者名: Mae, T., Inaba, A., Kaneta, Y., Masaki, S., Sasaki, M., Makino, A.
  • 雑誌名: Proceedings of the World Rice Research Conference, Tsukuba, Japan ページ: 590-590
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Advances in Rice Science. (2005)
  • 著者名/発表者名: Mae, T.
  • 雑誌名: Proceedings of the International Rice Science Conference, Korea 2004 ページ: 289-289
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Effects of nitrogen nutrition on the relationships between the levels of rbcS and rbcL mRNAs and the amount of ribulose 1.5-bisphosphate carboxylase/oxygenase synthesized in the eighth leaves of rice from emergence through senescence. (2005)
  • 著者名/発表者名: Imai, K., Suzuki, Y., Makino A, Mae T.
  • 雑誌名: Pant Cell Environ., 28 ページ: 1589-1600
• [雑誌論文] Amount of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco) protein and levels of mRNAs of rbcS and rbcL in the leaves at different positions in transgenic rice plants with decreased content of Rubisco (2004)
  • 著者名/発表者名: Ishizuka, M., Makino, A., Suzuki, Y., Mae, T.
  • 雑誌名: Soil Sci. Plant Nutr. 50・2 ページ: 233-239
  • NAID: 110001720283
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Changes in thermal dissipation and the electron flow in the water-water cycle in rice grown under conditions of physiologically low temperature. (2004)
  • 著者名/発表者名: Hirotsu, N., Makino, A., Ushio, A., Mae, T.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 45・5 ページ: 635-644
  • NAID: 10012939044
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Amount of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco) protein and levels of mRNAs of rbcS and rbcL in the leaves at different positions in transgenic rice plants with decreased content of Rubisco. (2004)
  • 著者名/発表者名: Ishizuka, M., Makino, A., Suzuki, Y., Mae, T.
  • 雑誌名: Soil Sci.Plant Nutr. 50 (2) ページ: 233-239
  • NAID: 110001720283
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Changes in thermal dissipation and the electron flow in the water-water cycle in rice grown under conditions of physiologically low temperature. (2004)
  • 著者名/発表者名: Hirotsu, N., Makino, A., Ushio, A., Mae, T.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 45 (5) ページ: 635-644
  • NAID: 10012939044
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Amount of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco) protein and levels of mRNAs of rbcS and rbcL in the leaves at different positions in transgenic rice plants with decreased content of Rubisco (2004)
  • 著者名/発表者名: Ishizuka M, Makino A, Suzuki Y, Mae, T.
  • 雑誌名: Soil Sci.Plant Nutr. 50(2) ページ: 233-239
  • NAID: 110001720283
• [雑誌論文] Exclusion of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase from chloroplasts by specific bodies in naturally senescing leaves of wheat. (2003)
  • 著者名/発表者名: Chiba, A., Ishida, H., Nishizawa, N., Makino, A., Mae, T.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 44・9 ページ: 914-921
  • NAID: 10011721661
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Effect of irradiance on the partitioning of assimilated carbon during the early phase of grain filling in rice. (2003)
  • 著者名/発表者名: Okawa, S., Makino, A., Mae, T.
  • 雑誌名: Ann Bot. 92・3 ページ: 357-364
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Differences between rice and wheat in ribulose-1,5-bisphosphate regeneration capacity per unit of leaf-N content. (2003)
  • 著者名/発表者名: Sudo, E., Makino, A., Mae, T.
  • 雑誌名: Plant Cell Environ. 26 ページ: 255-263
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Difference between maize and rice in N-use efficiency for photosynthesis and protein allocation. (2003)
  • 著者名/発表者名: Makino, A., Sakuma, H., Sudo, E., Mae, T.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 44・9 ページ: 952-956
  • NAID: 10011721832
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Xanthophyll cycle pigments and water-water cycle in transgenic rice with decreased amounts of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylae and the wild-type rice grown under different N levels. (2003)
  • 著者名/発表者名: Ushio, A., Makino, A., Yokota, S., Hirotsu, N., Mae, T.
  • 雑誌名: Soil Sci. Plant Nutr. 49・1 ページ: 77-83
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Exclusion of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase from chloroplasts by specific bodies in naturally senescing leaves of wheat. (2003)
  • 著者名/発表者名: Chiba, A., Ishida, H., Nishizawa, N., Makino, A., Mae, T.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 44 (9) ページ: 914-921
  • NAID: 10011721661
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Effect of irradiance on the partitioning of assimilated carbon during the early phase of grain filling in rice. (2003)
  • 著者名/発表者名: Okawa, S., Makino, A., Mae, T.
  • 雑誌名: Ann Bot. 92 (3) ページ: 357-364
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Difference between maize and rice in N-use efficiency for photosynthesis and protein allocation. (2003)
  • 著者名/発表者名: Makino, A., Sakuma, H., Sudo, E., Mae, T.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 44 (9) ページ: 952-956
  • NAID: 10011721832
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Xanthophyll cycle pigments and water-water cycle in transgenic rice with decreased amounts of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylae and the wild-type rice grown under different N levels. (2003)
  • 著者名/発表者名: Ushio, A., Makino, A., Yokota, S., Hirotsu, N., Mae, T.
  • 雑誌名: Soil Sci.Plant Nutr. 49 (1) ページ: 77-83
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [図書] 東北の農業と土壌肥料 (2006)
  • 著者名/発表者名: 前 忠彦
  • 総ページ数: 298
  • 出版者: 2006年度日本土壌肥料学会大会運営委員会(東北)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [図書] イネの生産性・品質と栄養生理(日本土壌肥料学会編) (2006)
  • 著者名/発表者名: 金田 吉弘, 前 忠彦
  • 総ページ数: 168
  • 出版者: 博友社
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [図書] Plant nutrition and its relation to Rice quality and productivity (2006)
  • 著者名/発表者名: Kaneta, Y., Mae, T.
  • 総ページ数: 168
  • 出版者: Hakuyu-sha
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [図書] イネの生産性・品質と栄養生理 VII. 超多収大粒イネ「秋田63号」の窒素生産効率と乾物生産特性 (2006)
  • 著者名/発表者名: 金田 吉弘
  • 総ページ数: 168
  • 出版者: 博友社
• [図書] Rice is life : Scientific Perspectives for the 21st Century (2005)
  • 著者名/発表者名: Mae, T., Inaba, A., Kaneta, Y., Masaki, S., Sasaki, M., Makino, A.
  • 総ページ数: 590
  • 出版者: Proceedings of the World Rice Research Conference, Tsukuba, Japan
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [図書] Advances in Rice Science (2005)
  • 著者名/発表者名: Mae, T.
  • 総ページ数: 289
  • 出版者: Proceedings of the International Science Conference, Korea 2004
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [図書] 生物化学 (2005)
  • 著者名/発表者名: 牧野 周, 前 忠彦
  • 総ページ数: 279
  • 出版者: 朝倉書店
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [図書] Biochemistry (2005)
  • 著者名/発表者名: Makino, A., Mae, T.
  • 総ページ数: 279
  • 出版者: Asakura Syoten
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [図書] Plant Cell Death Processes (2004)
  • 著者名/発表者名: Mae, T.
  • 総ページ数: 392
  • 出版者: Elsevieer Academic Press
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [図書] Plant Cell Death Processes. (2004)
  • 著者名/発表者名: Mae, T.
  • 総ページ数: 392
  • 出版者: Elsevieer Academic Press
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [図書] Leaf Senescence and Nitrogen Metabolism In Plant Cell Death Processes (2004)
  • 著者名/発表者名: MaeT.(Ed.LD Nooden)
  • 総ページ数: 392
  • 出版者: Eksevier Academic Press
• [文献書誌] A.Chiba, H.Ishida, N.Nishizawa, A.Makino, T.Mae: "Exclusion of ribulose-1.5-bisphosphate carboxylaze/oxygenaze from chloroplasts by specific bodies in naturally benescing/eakes of wheat"Plant Cell Physiol.. 44(9). 914-921 (2003)
• [文献書誌] T.Mae(Ed.by L.Nooden): "Plant Cell Death Processes 10.Leaf Senescence and Nitrogen Metabdism(p157 168)"ELSEVIER ACADEMIC PRESS. 392 (2003)