RubiscoのC4化によるイネの光合成能力の改良

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H04443
• 研究機関: 神戸大学
• 研究代表者: 深山 浩 神戸大学, 農学研究科, 准教授 (60373255)
• 研究分担者: 松村 浩由 立命館大学, 生命科学部, 教授 (30324809) ; 谷口 洋二郎 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 本部, 主任研究員 (50462560)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: Rubisco / イネ / ソルガム / 結晶構造 / 高CO2 / 光合成 / CRISPR/Cas9 / 形質転換イネ

研究実績の概要

ソルガムRbcS高発現・イネRbcSノックアウトイネ（CSS系統）について生理解析を行った．実験に用いた2種類のCSS系統（CSS10，CSS16）のRubisco含量は，CSS10で非形質転換イネの50%，CSS16で35%であり，Rubisco含量を適度に減少させることに成功した．低CO2から大気条件での光合成速度は，非形質転換イネに比べてCSS系統で低い傾向にあったが，高CO2条件ではRubisco含量が低いにもかかわらず非形質転換イネと同等の光合成速度を示した．生育についても同様であり，大気条件ではCSS系統は乾物重が低くなったが，高CO2条件では非形質転換イネと同等の乾物重を示した．
ソルガムRbcS高発現・イネRbcS RNAiノックダウン二重形質転換イネのRubiscoの結晶構造解析からイネRbcSに存在するIle101が，ソルガムRbcSにおいてLeu101となることで，Rubiscoの触媒サイトの構造変化が生じて触媒速度が増加することが示唆された．本年度はイネRbcSが完全にソルガムRbcSに置き換わったCSS系統のRubiscoの結晶構造解析を行い，ソルガムRbcS高発現・イネRbcS RNAiノックダウン二重形質転換イネのRubiscoと同様の構造であることを確認した．予定ではソルガムRubiscoの結晶構造解析も行う予定であったが，結晶化させることが出来ず，構造を明らかにすることが出来なかった．
多収性日印交雑品種タカナリを背景とするソルガムRbcS高発現イネの光合成特性の解析を行ったが，光合成速度はタカナリと同程度であった．
ネピアグラスRbcSは他のC4 RbcSと異なるメカニズムによりRubisco触媒速度を増加させていることが予想される．結晶構造解析のためのネピアグラスRbcS高発現・イネRbcSノックアウト形質転換イネを作出中である．

現在までの達成度 (段落)

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] CO2 Responsive CCT Protein Stimulates the Ectopic Expression of Particular Starch Biosynthesis-Related Enzymes, which Markedly Change the Structure of Starch in the Leaf Sheaths of Rice (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryutaro Morita, Naoko Croft, Naoki Shibatani, Satoko Miura, Yuko Hosaka, Naoko F. Oitome, Ken-ichi Ikeda, Naoko Fujita, Hiroshi Fukayama
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: In press ページ: In press
  • DOI: 10.1093/pcp/pcz008
  • 査読あり
• [雑誌論文] Rubisco small subunits of C4 plants, Napier grass and guinea grass confer C4-like catalytic properties on Rubisco in rice. (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Fukayama, Takashi Kobara, Keita Shiomi, Ryutaro Morita, Daisuke Sasayama, Tomoko Hatanaka and Tetsushi Azuma
  • 雑誌名: Plant Production Science 巻: 22 ページ: 296-300
  • DOI: 10.1080/1343943X.2018.1540279
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Short-term effects of high CO2 accelerate photosynthetic induction in Populus koreana × trichocarpa with always-open stomata regardless of phenotypic changes in high CO2 growth conditions. (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomimatsu H, Sakata T, Fukayama H, Tang Y.
  • 雑誌名: Tree Physiol. 巻: 39 ページ: 474-483
  • DOI: 10.1093/treephys/tpy078.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Responses of the chloroplast glyoxalase system to high CO2 concentrations (2018)
  • 著者名/発表者名: Shimakawa G, Ifuku K, Suzuki Y, Makino A, Ishizaki K, Fukayama H, Morita R, Sakamoto K, Nishi A, Miyake C
  • 雑誌名: Biosci Biotechnol Biochem 巻: 82 ページ: 2072-2083
  • DOI: 10.1080/09168451.2018.1507724
  • 査読あり
• [雑誌論文] Expression level of Rubisco activase negatively correlates with Rubisco content in transgenic rice. (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Fukayama, Akina Mizumoto, Chiaki Ueguchi, Jun Katsunuma, Ryutaro Morita, Daisuke Sasayama, Tomoko Hatanaka, Tetsushi Azuma
  • 雑誌名: Photosynthesis Research 巻: 137 ページ: 465-474
  • DOI: 10.1007/s11120-018-0525-9
  • 査読あり
• [学会発表] イネRubisco activase様タンパク質OsRca2はRubiscoの活性化を阻害する (2018)
  • 著者名/発表者名: 水本晃那, 小林亜希子, 松岡大介, 山内靖雄, 笹山大輔, 畠中知子, 東哲司, 深山浩
  • 学会等名: 日本光合成学会
• [学会発表] イネの Rubisco activase 様タンパク質 Rca2 は Rubisco activase の機能を阻害する (2018)
  • 著者名/発表者名: 水本晃那, 小林亜希子, 山内靖雄, 松岡大介, 笹山大輔, 畠中知子, 東哲司, 深山浩
  • 学会等名: 日本作物学会講演会
• [学会発表] Functional analysis of Rubisco small subunit, OsRbcS1, that is not expressed in photosynthetic organs in rice (2018)
  • 著者名/発表者名: 小林則之, 森田耕一, 笹山大輔, 畠中知子, 東哲司, 深山浩
  • 学会等名: International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Biogenesis
  • 国際学会
• [学会発表] イネRubiscoのC4化と構造機能相関 (2018)
  • 著者名/発表者名: 塩見慶太, 笹山大輔, 畠中 知子, 東 哲司, 吉川大貴, 松村浩由, 深山浩
  • 学会等名: 日本作物学会第246回講演会