イネ科植物由来の高kcat Rubiscoを利用したイネの光合成能力の改良

2011 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 20580014
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 作物学・雑草学
• 研究機関: 神戸大学
• 研究代表者: 深山 浩 神戸大学, 大学院・農学研究科, 助教 (60373255)
• 研究期間 (年度): 2008 – 2011
• キーワード: 酵素 / 遺伝子 / 光合成 / 作物学

研究概要

光合成速度の主要な律速因子はCO_2固定の初発反応を担うRubiscoと考えられる.将来的な高CO_2環境でのイネの光合成能力の改良に有効な高活性型RubiscoをC_4植物,寒地型牧草類,高山植物の中で探索した.その結果,チモシー,ウシノケグサ,ソルガムが触媒活性(kcat)が高く,かつCO_2に対する親和性も比較的高いRubiscoを持つことがわかった.その3種の中でkcatがイネの約2. 5培と最も高かったソルガムのRubiscoをイネに導入することとした. Rubiscoは大サブユニット(RbcL)と小サブユニット(RbcS)の2種類のタンパク質により構成されている. RbcLは葉緑体DNAにコードされており,相同組み換えによるソルガムRbcLの導入を試みたが今のところ成功していない.しかし,ソルガムRubisco小サブユニットのイネへの導入は成功し,最大で全RbcSの80%がソルガムRbcSとなる形質転換イネが得られた.そしてソルガムRbcS形質転換イネではRubiscoの分子当たりのkcatがイネに比べて50%増加した.しかし,形質転換イネではRubisco量が増加し, Rubiscoの活性化率が低下した.つまり形質転換イネでは窒素利用効率が低下したために光合成速度は増加しなかったと考えられる.本研究では光合成速度の改良までは達成できなかったが, Rubiscoの触媒特性を改良することに成功したことから,今後の光合成能力の改良に大いに利用できる結果が得られた.

研究成果

• [雑誌論文] Rubisco activase is a key regulator of non steady-state photosynthesis at any leaf temperature and, to a lesser extent, of steady-state photosynthesis at high temperature (2012)
  • 著者名/発表者名: Yamori W., Masumoto C., Fukayama H. and Makino A.
  • 雑誌名: Plant J 巻: (In press)
• [雑誌論文] Overexpression of Rubisco activase decreases the photosynthetic CO_2 assimilation rate by reducing Rubisco content in rice leaves (2012)
  • 著者名/発表者名: Fukayama H., Ueguchi C., Nishikawa K., Katoh N., Ishikawa C., Hatanaka T. and Misoo S.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol 巻: (In press)
• [雑誌論文] Photosynthetic Characteristics of Antisense Transgenic Rice Expressing Reduced Levels of Rubisco Activase (2012)
  • 著者名/発表者名: Masumoto C., Fukayama H., Hatanaka T. and Uchida N.
  • 雑誌名: Plant Prod Sci 巻: (In press)
• [雑誌論文] Functional Incorporation of Sorghum Small Subunit Increases the Catalytic Turnover Rate of Rubisco in Transgenic Rice (2011)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa C., Hatanaka T., Misoo S., Miyake C. and Fukayama H.
  • 雑誌名: Plant Physiol 巻: 156 ページ: 1603-1611
• [雑誌論文] Lessons from engineering a single-cell C_4 photosynthetic pathway into rice (2011)
  • 著者名/発表者名: Miyao M., Masumoto C., Miyazawa S. and Fukayama H.
  • 雑誌名: J. Exp. Bot 巻: 62 ページ: 3021-3029
• [雑誌論文] Characteristics of the plastid-targeted beta-amylase in rice (2011)
  • 著者名/発表者名: Hirano T., Takahashi Y., Fukayama H. and Michiyama H.
  • 雑誌名: Plant Prod. Sci 巻: 14 ページ: 318-324
• [雑誌論文] Gene expression profiling of rice grown in free air CO_2 enrichment(FACE) and elevated soil temperature (2011)
  • 著者名/発表者名: Fukayama H., Sugino M., Fukuda T., Masumoto C., Taniguchi Y., Okada M., Sameshima R., Hatanaka T., Misoo S., Hasegawa T. and Miyao M.
  • 雑誌名: Field Crops Res 巻: 121 ページ: 195-199
• [雑誌論文] Activation of Cyclic Electron Flow around PSI in the Photoinhibited Rice Leaves (2011)
  • 著者名/発表者名: Kubo S, Masumura T., Saito Y., Fukayama H., Suzuki Y., Sugimoto T., Makino A., Amako K. and Miyake C.
  • 雑誌名: Soil Sci. Plant Nut 巻: 57 ページ: 105-113
• [雑誌論文] Phosphoenolpyruvate carboxylase intrinsically located in the chloroplast of rice plays a crucial role in ammonium assimilation (2010)
  • 著者名/発表者名: Masumoto C., Miyazawa S., Ohkawa H., FukudaT., Taniguchi Y., Murayama S., Kusano M., Saito K., Fukayama H. and Miyao M.
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 巻: 107 ページ: 5226-5231
• [雑誌論文] SDS-dependent proteases induced by ABA and its relation to Rubisco and Rubisco activase contents in rice leaves (2010)
  • 著者名/発表者名: Fukayama H., Abe R. and Uchida N.
  • 雑誌名: Plant Physiology and Biochemistry 巻: 48 ページ: 808-812
• [雑誌論文] Rice plant response to long term CO_2 enrichment : Gene expression profiling (2009)
  • 著者名/発表者名: Fukayama H., Fukuda T., Masumoto M., Taniguchi Y., Sakai H., Cheng W., Hasegawa T. and Miyao M.
  • 雑誌名: Plant Science 巻: 177 ページ: 203-210
• [雑誌論文] Screening of High kcat Rubisco among Poaceae for Improvement of Photosynthetic CO_2 Assimilation in Rice (2009)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa, C., Hatanaka, T., Misoo, S. and Fukayama, H.
  • 雑誌名: Plant Production Science 巻: 12 ページ: 345-350
• [学会発表] Rubisco activaseの高発現はRubisco含量の減少により光合成速度を低下させる (2011)
  • 著者名/発表者名: 深山浩, 上口千晶, 西川薫, 石川智恵, 畠中知子, 三十尾修司
  • 学会等名: 第52回日本植物生理学会要旨集
  • 発表場所: 東北大学
  • 年月日: 20110000
• [学会発表] Chimeric Incorporation of Sorghum RbcS Increases the Catalytic Turnover Rate of Rubisco in Transgenic Rice Plants (2010)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa C., Hatanaka T., Misoo S. and Fukayama H.
  • 学会等名: The 15th International Congress of Photosynthesis
  • 発表場所: 北京
  • 年月日: 20100823-27
• [学会発表] ソルガムRbcSの高発現は形質転換イネにおけるRubiscoの反応回転速度を増加させる (2010)
  • 著者名/発表者名: 石川智恵, 畠中知子, 三十尾修司, 深山浩
  • 学会等名: 第51回日本植物生理学会年会要旨集
  • 発表場所: 熊本大学
  • 年月日: 20100000
• [学会発表] オオムギRubisco activaseの高発現がイネの光合成特性と葉内成分含量におよぼす効果 (2009)
  • 著者名/発表者名: 深山浩, 西川薫, 畠中知子, 三十尾修司
  • 学会等名: 日本作物学会紀事
  • 発表場所: つくば国際会議場
  • 年月日: 20090000
• [学会発表] 生育期間を通した開放系大気CO_2増加・水温上昇処理がイネの光合成に及ぼす影響 (2009)
  • 著者名/発表者名: 安立美奈子, 深山浩, 常田岳志, 程為国, 中村浩史, 大川原佳伸, 鮫島良次, 岡田益己, 長谷川利拡
  • 学会等名: 日本作物学会紀事
  • 発表場所: つくば国際会議場
  • 年月日: 20090000
• [学会発表] 開放系大気CO_2濃度増加条件(FACE)で育成したイネの遺伝子発現プロファイリング (2008)
  • 著者名/発表者名: 深山浩, 福田琢哉, 長谷川利拡, 宮尾光恵, 畠中知子, 三十尾修司
  • 学会等名: 近畿作物育種研究会要旨集
  • 発表場所: 神戸大学
  • 年月日: 20080000
• [学会発表] イネの光合成能力改良に向けたイネ科植物内における高Kcat Rubiscoの探索 (2008)
  • 著者名/発表者名: 深山浩, 石川智恵, 畠中知子, 三十尾修司
  • 学会等名: 日本作物学会紀事
  • 発表場所: 神戸大学
  • 年月日: 20080000
• [備考] ホームページ等神戸大学資源植物生産学研究室
  • URL: http://www.research.kobe-u.ac.jp/anssakumotsu/