オンサイト・セルスペシフィック解析による水稲高温障害・窒素代謝改善効果の機構解明

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H02533
• 研究機関: 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構
• 研究代表者: 和田 博史 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 九州沖縄農業研究センター, 上級研究員 (40533146)
• 研究分担者: 野並 浩 愛媛大学, 農学研究科, 教授 (00211467) ; 平岡 賢三 山梨大学, クリーンエネルギー研究センター, 特命教授 (80107218)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 水稲 / 高温ストレス / 背白米 / 1細胞代謝産物解析 / 高温登熟 / 品種間差

研究実績の概要

昨年度発表した高温に伴なった背白粒形成と窒素施与による白濁化回避のメカニズムの知見をもとに，「コシヒカリ」（高温登熟性中）と「ふさおとめ」（高温登熟性強）のポット稲を供試し，各品種の登熟中の玄米内の胚乳において，高温処理後に透明化・白濁化する対照的な２部位の胚乳細胞を対象に品種・部位間の代謝変化に注目して解析を行った．
人工気象室において背白粒を多発する高温条件を作出し，玄米背側の１外胚乳細胞（白濁推定領域）と同じ粒の側面の１外胚乳細胞（透明化領域）を対象にプレッシャープローブを導入し，ピコリットルセルプレッシャープローブエレクトロスプレーイオン化質量分析法により細胞レベルの代謝産物解析を行った．同時に高温条件下で継時的に玄米試料を採取，固定した後，透過型電子顕微鏡を用いて各領域の細胞内オルガネラの微細構造の観察を行った．その結果，高温下での糖・アミノ酸の集積に加え，酸化還元状態の制御及び硫黄代謝に関わる代謝変化に特徴的な品種・部位間差が検出された．さらに，これらの代謝産物の組成の違いと電顕で観察された液胞・ミトコンドリアの形態変化との密接な関連性を裏付けるデータが得られた．
一方，昨年度「コシヒカリ」を用いた人工気象室実験から見出された「高温に伴った背白粒形成，窒素施与による白濁回避機構」について，圃場での検証実験を行った．登熟期に高温環境下に遭遇させる作期において背白粒多発を誘導させ，細胞内の形態変化を調査したところ，イネ胚乳の白濁推定領域の胚乳細胞では窒素レベルに応じた液胞様構造の残存程度の処理間が観察された．以上から，白濁発生推定領域の胚乳細胞内で人工気象室試験と同じメカニズムが働くことで，背白粒が発生もしくは窒素施与による白濁回避が生じることが2か年の圃場試験から示された．

現在までの達成度 (段落)

令和元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

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] ヘルシンキ大学/フィンランド自然資源研究所(フィンランド)
  • 国名: フィンランド
  • 外国機関名: ヘルシンキ大学/フィンランド自然資源研究所
• [雑誌論文] On-site single pollen metabolomics reveals varietal differences in phosphatidylinositol synthesis under heat stress conditions in rice (2020)
  • 著者名/発表者名: Wada H, Hatakeyama Y, Nakashima T, Nonami H, Erra-Balsells R, Hakata M, Nakata K, Hiraoka K, Onda Y, Nakano H
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10(1) ページ: 2013
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-020-58869-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ray parenchymal cells contribute to lignification of tracheids in developing xylem of Norway spruce (2019)
  • 著者名/発表者名: Olga Blokhina, Teresa Laitinen, Yuto Hatakeyama, Nicolas Delhomme, Tanja Paasela, Lei Zhao, Nathaniel R. Street, Hiroshi Wada, Anna Karkonen, Kurt Fagerstedt
  • 雑誌名: Plant Physiology 巻: 181(4) ページ: 1552-1572
  • DOI: https://doi.org/10.1104/pp.19.00743
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Component profiling in agricultural applications using an adjustable acupuncture needle for sheath-flow probe electrospray ionization/mass spectrometry (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiraoka K, Rankin-Turner S, Ninomiya S, Wada H, Nakano H, Matsumura M, Sanada-Morimura S, Tanaka F, Nonami H
  • 雑誌名: Journal of Agricultural and Food Chemistry 巻: 67(11) ページ: 3275-3283
  • DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jafc.8b06424
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Point analysis of foods by sheath-flow probe electrospray ionization/mass spectrometry (sfPESI/MS) coupled with a touch sensor (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiraoka K, Rankin-Turner S, Ninomiya S, Sekine R, Wada H, Matsumura M, Sanada-Morimura S, Tanaka F, Nonami H, Ariyada O
  • 雑誌名: Journal of Agricultural and Food Chemistry 巻: 68(1) ページ: 418-524
  • DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jafc.9b06489
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 米生産における白未熟粒の発生メカニズムについて (2020)
  • 著者名/発表者名: 和田博史
  • 学会等名: 令和元年度「おいでまい」栽培者研修大会（香川県主催）
  • 招待講演
• [学会発表] New approaches combined with environmental control for enhancing rice production under heat conditions (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiroshi Wada
  • 学会等名: ヘルシンキ大学Viikki植物科学（ViPS）センター
  • 招待講演
• [図書] Adaptation to Climate Change in Agriculture (2019)
  • 著者名/発表者名: Iizumi, Toshichika, Hirata, Ryuichi, Matsuda, Ryo (Eds.)
  • 総ページ数: 228
  • 出版者: Springer Nature
  • ISBN: 978-981-13-9235-1
• [備考] イネの登熟期高温による背白粒発生と窒素追肥による抑制メカニズムの一端が明らかに！
  • URL: https://www.naro.affrc.go.jp/publicity_report/publication/files/P2_karc_naro_News_62.pdf