炭酸固定酵素Ｒｕｂｉｓｃｏとその活性化酵素の多重増強によるイネの光合成能力の強化

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19J10653
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 菅波 眞央 東北大学, 農学研究科, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2019-04-25 – 2021-03-31
• キーワード: イネ / 光合成 / Rubisco / Rubisco activase

研究実績の概要

イネの生産性向上には、光合成能力の強化は不可欠な課題である。炭酸固定酵素Rubiscoは現在の大気条件における最大光合成速度の律速要因であり光合成能力強化の有力なターゲットであるが、Rubiscoを過剰生産させたイネでは、期待されたほどの光合成速度の向上は見られなかった。これは、生体内で機能する活性化されたRubiscoの割合（Rubisco活性化率）が低下したことが原因だと考えられた。そこで、本研究ではRubiscoとともにRubisco活性化を担う酵素Rubisco activase (RCA)を同時過剰生産させることで光合成能力の強化、および個体生育の改良を試みる。
本年度はRubiscoとRubisco activaseの同時過剰生産イネの光合成機能の解析を行った。Rubisco量、RCA量の増加が確認された計3系統のRubisco・RCA同時過剰生産イネにおいて解析を行い、光飽和条件におけるRubisco活性化率は、いずれの系統でも野生型イネと同レベルまで回復していることが確認された。しかしながら、葉温25℃条件において、同時過剰生産イネの光合成速度に有意な変化は認められなかった。一方、夏場のほ場環境に相当する高温条件(葉温36℃)においては、現在の大気CO2濃度における光飽和光合成速度が約15%向上していることが確認された。高温条件における光合成をより詳細に評価するためA-Ci解析を行ったところ、低CO2環境における光合成速度の上昇は、Rubiscoタンパク質量とRubisco活性化率より算出した活性型Rubisco量と高い正の相関を示しており、Rubisco量の増加とRCA量増加によるRubisco活性化率の維持が光合成能力の向上に寄与したことを示した。本研究の成果は、米国植物科学会誌「Plant Physiology」に掲載された。

現在までの達成度 (段落)

令和2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2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] Co-overproducing Rubisco and Rubisco activase enhances photosynthesis in the optimal temperature range in rice (2021)
  • 著者名/発表者名: Suganami M., Suzuki Y., Tazoe Y., Yamori W., Makino A
  • 雑誌名: Plant Physiol. 巻: 185 ページ: 108-119
  • DOI: 10.1093/plphys/kiaa026
  • 査読あり
• [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 K., Sugawara M., Suzuki Yuki., Kondo E., Takegahara-Tamakawa Y., Yoon D., Suganami M., Wada S., Miyake C., Makino A
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 巻: 62 ページ: 156-165
  • DOI: 10.1093/pcp/pcaa149
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phosphorus toxicity disrupts Rubisco activation and reactive oxygen species defence systems by phytic acid accumulation in leaves. (2020)
  • 著者名/発表者名: Takagi D., Miyagi A., Tazoe Y., Suganami M., Kawai-Yamada M., Ueda A., Suzuki Y., Noguchi K., Hirotsu N., Makino A
  • 雑誌名: Plant Cell Environ 巻: 43 ページ: 2033-2053
  • DOI: 10.1111/pce.13772
  • 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 N., Mano K., Suganami M., Kondo E., Suzuki Y., Makino A
  • 雑誌名: Soil Sci. Plant Nutr. 巻: 66 ページ: 569-578
  • DOI: 10.1080/00380768.2020.1780898
  • 査読あり
• [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、香川昂亮、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2020年度岡山大会
• [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2020年度岡山大会
• [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2020年度岡山大会
• [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、香川昂亮、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2020年度岡山大会
• [学会発表] イネにおいてFlavodiiron proteinsは、Rubisco activaseの過剰発現による光阻害から回復させる (2020)
  • 著者名/発表者名: 丸橋凌、菅波眞央、田副雄士、今野壮、和田慎也、山本宏、鹿内利治、牧野周
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会