イネの光合成と個体生育の窒素利用効率の改良：炭酸固定とその基質再生産の同時増強

• 研究課題/領域番号: 18H02111
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分38010:植物栄養学および土壌学関連
• 研究機関: 岩手大学
• 研究代表者: 鈴木 雄二 岩手大学, 農学部, 准教授 (80374974)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円); 2020年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円); 2019年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円); 2018年度: 11,050千円 (直接経費: 8,500千円、間接経費: 2,550千円)
• キーワード: 光合成 / 炭酸同化 / 遺伝子組換え / イネ

研究成果の概要

光合成の鍵酵素である炭酸固定酵素Rubiscoと、Rubiscoへの基質供給の鍵酵素の一つであるグリセルアルデヒド-3-リン酸脱水素酵素(GAPDH)をイネにおいて同時増強することで、光合成能力の強化を図ったものの、残念ながら光合成能力に変化は見られなかった。その一方で、GAPDHを単独で増強したイネでは、高CO2濃度での光合成能力を若干ではあるが強化することに成功した。ただし、高CO2濃度での個体生育の改善までには至らなかった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究の成果は、光合成炭素代謝の改変により光合成能力を強化したという、貴重な研究例となった。また、本研究の成果は、今後のさらなる光合成能力強化に向けた方向性を考えるための重要な情報となるとともに、作製した遺伝子組換えイネは、光合成能力強化のための母材料となる。本研究をさらに発展させることで、イネの物質生産能力の強化、および、食糧供給の増加に向けた、基礎的な技術を得ることができる。

研究成果

• [雑誌論文] Co-overproducing Rubisco and Rubisco activase enhances photosynthesis in the optimal temperature range in rice (2021)
  • 著者名/発表者名: Suganami Mao、Suzuki Yuji、Tazoe Youshi、Yamori Wataru、Makino Amane
  • 雑誌名: Plant Physiology 巻: 185 ページ: 108-119
  • DOI: 10.1093/plphys/kiaa026
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Overproduction of chloroplast glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase improves photosynthesis slightly under elevated [CO2] conditions in rice (2021)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Yuji、Ishiyama Keiki、Sugawara Misaki、Suzuki Yuka、Kondo Eri、Takegahara-Tamakawa Yuki、Yoon Dong-Kyung、Suganami Mao、Wada Shinya、Miyake Chikahiro、Makino Amane
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 62 号: 1 ページ: 156-165
  • DOI: 10.1093/pcp/pcaa149
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Photochemistry of photosystems II and I in rice plants grown under different N levels at normal and high temperature (2021)
  • 著者名/発表者名: Takahashi Yuki、Wada Shinya、Noguchi Ko、Miyake Chikahiro、Makino Amane、Suzuki Yuji
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 62 号: 7 ページ: 1121-1130
  • DOI: 10.1093/pcp/pcab020
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effects of co-overproduction of Rubisco and chloroplast glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase on photosynthesis in rice (2021)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Y*, Ishiyama K, Cho A, Takegahara-Tamakawa Y, Wada S, Miyake C and Makino A
  • 雑誌名: Soil Science and Plant Nutrition 巻: 67 号: 3 ページ: 1150-1162
  • DOI: 10.1080/00380768.2021.1915100
  • NAID: 210000158988
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of overexpression of the Rubisco small subunit gene under the control of the Rubisco activase promoter on Rubisco contents of rice leaves at different positions (2020)
  • 著者名/発表者名: Kudo Natsumi、Mano Kazuhisa、Suganami Mao、Kondo Eri、Suzuki Yuji、Makino Amane
  • 雑誌名: Soil Science and Plant Nutrition 巻: 66 号: 4 ページ: 569-578
  • DOI: 10.1080/00380768.2020.1780898
  • NAID: 210000158370
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photorespiration coupled with CO2 assimilation protects photosystem I from photoinhibition under moderate poly(ethylene glycol)-Induced osmotic stress in rice (2020)
  • 著者名/発表者名: Wada Shinya、Miyake Chikahiro、Makino Amane、Suzuki Yuji
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 11 ページ: 1121-1121
  • DOI: 10.3389/fpls.2020.01121
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effects of Overproduction of Rubisco Activase on Rubisco Content in Transgenic Rice Grown at Different N Levels (2020)
  • 著者名/発表者名: Suganami Mao、Suzuki Yuji、Kondo Eri、Nishida Shinji、Konno So、Makino Amane
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 21 号: 5 ページ: 1626-1626
  • DOI: 10.3390/ijms21051626
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Responses of the Photosynthetic Electron Transport Reactions Stimulate the Oxidation of the Reaction Center Chlorophyll of Photosystem I, P700, under Drought and High Temperatures in Rice (2019)
  • 著者名/発表者名: Wada Shinya、Takagi Daisuke、Miyake Chikahiro、Makino Amane、Suzuki Yuji
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 20 号: 9 ページ: 2068-2068
  • DOI: 10.3390/ijms20092068
  • NAID: 120006647359
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effects of co-overproduction of sedoheptulose-1,7-bisphosphatase and Rubisco on photosynthesis in rice (2018)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Yuji、Wada Shinya、Kondo Eri、Yamori Wataru、Makino Amane
  • 雑誌名: Soil Science and Plant Nutrition 巻: 65 号: 1 ページ: 36-40
  • DOI: 10.1080/00380768.2018.1530053
  • NAID: 210000012043
  • 査読あり
• [学会発表] イネの不安定な気孔開閉によるCO2 固定反応効率の変動と光呼吸によるP700 酸化誘導 (2021)
  • 著者名/発表者名: 古谷吏侑、牧野周、鈴木雄二、嶋川銀河、和田慎也、三宅親弘
  • 学会等名: 日本植物生理学会
• [学会発表] 葉緑体型グリセルアルデヒド-3-リン酸デヒドロゲナーゼの過剰発現がイネの光合成と個体生育に及ぼす影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 鈴木雄二、石山敬貴、菅原水彩季、鈴木優佳、近藤依里、竹ケ原（玉川）夕紀、尹 棟敬、和田慎也、菅波眞央、三宅親弘、牧野 周
  • 学会等名: 日本植物生理学会
• [学会発表] 欠損GS3遺伝子により大粒性を有した準同質遺伝子系統ノトヒカリの作出とほ場での収量評価試験 (2020)
  • 著者名/発表者名: 尹 棟敬、香川昴亮、石山敬貴、菅波眞央、前 忠彦、鈴木雄二、石田宏幸、牧野 周、小原実広
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会
• [学会発表] イネにおけるRubiscoとRubisco activaseの同時増強が光合成に与える影響 (2020)
  • 著者名/発表者名: 菅波眞央、鈴木雄二、田副雄士、牧野 周
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会
• [学会発表] カルビンサイクル酵素グリセルアルデヒド-3-リン酸デヒドロゲナーゼおよびトリオースリン酸イソメラーゼの遺伝子組換えがイネ葉の光合成に及ぼす影響 (2020)
  • 著者名/発表者名: 鈴木雄二、石山敬貴、菅原水彩季、鈴木優佳、玉川夕紀、和田慎也、菅波眞央、近藤依里、三宅親弘、牧野 周
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会
• [学会発表] 遺伝子組換え植物専用隔離ほ場水田を用いたRubisco増強イネの収量評価試験 (2020)
  • 著者名/発表者名: 尹 棟敬、香川昴亮、石山敬貴、菅波眞央、前 忠彦、鈴木雄二、石田宏幸、小原実広、牧野 周
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会
• [学会発表] 異なる窒素施肥量・生育温度がイネの光化学系IIおよびIの光化学反応に及ぼす影響 (2020)
  • 著者名/発表者名: 高橋佑季、和田慎也、野口 航、三宅親弘、牧野周、鈴木雄二
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会東北支部大会
• [学会発表] 6種の針葉樹におけるRubisco比活性の評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 澤口尚生、影山創大、宮澤真一、牧野 周、鈴木雄二
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会東北支部大会
• [学会発表] RubiscoとRubisco activase の同時過剰生産がイネの光合成に与える影響 (2020)
  • 著者名/発表者名: 菅波 眞央、鈴木 雄二、田副 雄士、牧野 周
  • 学会等名: 日本植物生理学会
• [学会発表] 遺伝子組換え作物隔離ほ場におけるRubisco過剰生産イネの4年間の収量試験評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 尹 棟敬、石山 敬貴、菅波 眞央、香川 昂亮、渡邊 まり、伊丸岡 芹菜、小倉 真紀、田副 雄士、石田 宏幸、鈴木 雄二、小原 実広、前 忠彦、牧野 周
  • 学会等名: 日本植物生理学会
• [学会発表] Rubisco量の抑制はイネの水ストレス耐性を低下させる (2020)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 雄二、和田 慎也、三宅 親弘、牧野 周
  • 学会等名: 日本植物生理学会
• [学会発表] イネにおけるRubiscoとRubisco activaseの同時過剰生産が光合成に与える影響 (2020)
  • 著者名/発表者名: 菅波 眞央、 鈴木 雄二、 田副 雄士、 牧野 周
  • 学会等名: 日本作物学会
• [学会発表] 遺伝子組換え隔離ほ場におけるRubisco 過剰生産イネのバイオマス生産、窒素利用および収量解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 尹 棟敬、石山敬貴、菅波眞央、香川昂亮、渡邊まり、伊丸岡芹菜、小倉真紀、田副雄士、石田宏幸、鈴木雄二、小原実広、前 忠彦、牧野 周
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会
• [学会発表] イネ生葉における過剰なリン酸蓄積が枯死を引き起こすメカニズムの解明 (2019)
  • 著者名/発表者名: 高木大輔、田副雄士、菅波眞央、上田晃弘、鈴木雄二、牧野 周
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会
• [学会発表] 高温条件下で水ストレスを受けたイネにおける光合成電子伝達反応の応答と光化学系I 反応中心クロロフィルP700の酸化促進 (2019)
  • 著者名/発表者名: 鈴木雄二、和田慎也、高木大輔、三宅親弘、牧野 周
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会
• [学会発表] イネにおけるRubiscoの特異的増減が水ストレスへの感受性に及ぼす影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 和田慎也、三宅親弘、牧野 周、鈴木雄二
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会
• [学会発表] Phosphorus toxicity decreases both electron sink activity and anti-oxidative activity in rice leaves (2019)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Takagi, Youshi Tazoe, Mao Suganami, Akihiro Ueda, Yuji Suzuki, Amane Makino
  • 学会等名: 10th International Conference Photosynthesis and Hydrogen Energy Research for Sustainability
  • 国際学会
• [学会発表] Photorespiration contributes to oxidation of the reaction center chlorophyll of photosystem I and the robustness of photosystem I against excess light stress under CO2-limited conditions in rice. (2019)
  • 著者名/発表者名: Wada S, Suzuki Y, Takagi D, Miyake C, Makino A
  • 学会等名: 3rd Agriculture and Climate Change Conference
  • 国際学会
• [学会発表] 光呼吸による過剰光エネルギーに対する防御 (2019)
  • 著者名/発表者名: 菅波眞央，鈴木雄二，田副雄士，牧野周
  • 学会等名: 日本植物生理学会
• [学会発表] Rubisco activase過剰発現イネの光合成特性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 今野壮，菅波眞央，太田吉哉，高木大輔，田副雄士，鈴木雄二，牧野周
  • 学会等名: 日本植物生理学会
• [学会発表] リン酸毒性はRubiscoの活性化率と抗酸化活性の低下によってイネの生育を抑制する (2019)
  • 著者名/発表者名: 高木大輔，田副雄士，菅波眞央，上田晃弘，鈴木雄二，牧野周
  • 学会等名: 日本植物生理学会
• [学会発表] Is there a trade-off between the amounts of Rubisco and Rubisco activase (RCA)?-Analysis of transgenic rice plants with changes in RCA or Rubisco contents- (2018)
  • 著者名/発表者名: Suganami M, Suzuki Y, Nishida S, Konno S, Makino A
  • 学会等名: International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Biogenesis
  • 国際学会
• [学会発表] Excess phosphorus declines the Rubisco activation state and inhibits photosynthesis in rice leaves (2018)
  • 著者名/発表者名: Takagi D, Tazoe Y, Suganami M, Ueda A, Suzuki Y, Makino A
  • 学会等名: International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Biogenesis
  • 国際学会
• [学会発表] Rubisco過剰生産・生産抑制イネの隔離圃場栽培における光合成の解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 菅波眞央，石山敬貴，渋谷暁一，渡邊まり，小倉真紀，尹棟敬，田副雄士，鈴木雄二，前忠彦，牧野周
  • 学会等名: 日本光合成学会
• [学会発表] イネにおけるP700吸光パラメーターによる水ストレス診断 (2018)
  • 著者名/発表者名: 和田慎也，鈴木雄二，高木大輔，三宅親弘，牧野周
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会
• [学会発表] 光呼吸による過剰光エネルギーに対する防御 (2018)
  • 著者名/発表者名: 鈴木雄二，和田慎也，高木大輔，三宅親弘，牧野周
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会
  • 招待講演