Effects of high CO2 on photosynthesis and plant productivity under nitrogen-limited conditions

2013 Fiscal Year Final Research Report

• Project Area: Comprehensive studies of plant responses to high CO2 world by an innovative consortium of ecologists and molecular biologists
• Project/Area Number: 21114003
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: OMATA Tatsuo 名古屋大学, 生命農学研究科, 教授 (50175270)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): AICHI Makiko 中部大学, 応用生物学部, 講師 (00340208) ; MAEDA Shin-ichi 名古屋大学, 大学院生命農学研究科, 助教 (70335016)
• Project Period (FY): 2009-07-23 – 2014-03-31
• Keywords: 植物 / 環境 / 二酸化炭素 / 生産性 / 光合成

Research Abstract

Using a nitrate-transport-deficient mutant of Arabidopsis thaliana, effect of high CO2 on plant growth under limited nitrogen supply was examined. During growth under high CO2 but not under low CO2, the mutant seedlings developed well-known symptoms of nitrogen-starved plants, including decreased shoot/root ratio and accumulation of anthocyanin, but the plant also showed increased chlorophyll content, which was contradictory to the known effect of nitrogen-depletion. A high-CO2-responsive change specific to the mutant was not observed in the levels of the major metabolites; Similar CO2 responses were observed in WT and the mutant. Elevated CO2 thus causes nitrogen limitation in the seedlings grown with a constantly limited supply of nitrogen, but the chlorophyll content and the root biomass of the plant increase to enhance the activities of both photosynthesis and nitrogen uptake, while maintaining normal metabolism and response to high CO2.

Research Products

• [Journal Article] Nitrite transport activity of a novel HPP family protein conserved in cyanobacteria and chloroplasts (2014)
  • Author(s): Maeda, S., Konishi, M., Yanagisawa, S., Omata,T.
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: (in press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In vitro and in vivo analyses of the role of carboxysomal β-type carbonic anhydrase of the cyanobacterium Synechococcus elongatus in carboxy- lation of ribulose-1,5-bisphosphate (2014)
  • Author(s): Nishimura, T., Yamaguchi, O., Takatani, N., Maeda, S., Omata, T.
  • Journal Title: Photosynthesis Research Volume: (in press)
  • DOI: 10.1007/s11120-014-9986-7
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of high CO2 on growth and metabolism of Arabidopsis seedlings during growth with a constantly limited supply of nitrogen (2014)
  • Author(s): Takatani, N., Ito, T., Kiba, T., Mori, M. Miyamoto, T., Maeda, S., Omata, T.
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 55 Pages: 281-292
  • DOI: 10.1093/pcp/pct186
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Examination of the effects of PII deficiency and the toxicity of PipX on growth characteristics of the PII-less mutant of the cyanobacterium Synechococcus elongatus (2013)
  • Author(s): Chang, Y., Takatani, N., Aichi, M., Maeda, S., Omata, T.
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 54 Pages: 1504-1514
  • DOI: 10.1093/pcp/pct092
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 東海丘陵要素植物群の無機窒素栄養に対する種特異性 (2013)
  • Author(s): 愛知真木子、味岡ゆい、上野薫、寺井久慈、南基泰
  • Journal Title: 湿地研究 Volume: 3 Pages: 3-14
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] CmpR is important for circadian phasing and cell growth (2012)
  • Author(s): Tanaka, H., Kitamura, M., Nakano, Y., Katayama, M., Takahashi, Y., Kondo, T., Manabe, K., Omata, T., Kutsuna, S.
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 53 Pages: 1561-1569
  • DOI: 10.1093/pcp/pcs095
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Regulation of nitrate assimilation in cyanobacteria (2011)
  • Author(s): Ohashi, Y., Shi, W., Takatani, N., Aichi, M., Maeda, S., Watanabe, S., Yoshikawa, H., Omata, T
  • Journal Title: Journal of Experimental Botany Volume: 62 Pages: 1411-1424
  • DOI: 10.1093/jxb/erq427
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nitrate assimilatory genes and their transcriptional regulation in a unicellular red alga Cyanidioschyzon merolae : genetic evidence for nitrite reduction by a sulfite reductase-like enzyme (2010)
  • Author(s): Imamura, S., Terashita, M., Ohnuma, M., Maruyama, S., Minoda, A., Weber, A.P., Inouye, T., Sekine, Y., Fujita, Y., Omata, T., Tanaka, K.
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 51 Pages: 707-717
  • DOI: 10.1093/pcp/pcq043
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ラン藻と高等植物葉緑体の亜硝酸イオン取り込み活性の分析 (2014)
  • Author(s): 前田真一、小俣達男
  • Organizer: 第55回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 富山
  • Year and Date: 2014-03-20
• [Presentation] 恒常的窒素制限条件下のシロイヌナズナの代謝系の高CO_2 応答から見えてきた植物の窒素適応 (2014)
  • Author(s): 高谷信之、伊藤卓朗、木羽隆敏、宮本哲郎、森万里恵、前田真一、小俣達男
  • Organizer: 第55回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 富山
  • Year and Date: 2014-03-20
• [Presentation] モウセンゴケ属植物3種のNO_3^-耐性の差異を決定する要因の解析日本植物学会 (2014)
  • Author(s): 兼松璃々子、豊田歩、上坂一馬、上野薫、小俣達男、南基泰、愛知真木子
  • Organizer: 第55回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 富山
  • Year and Date: 2014-03-18
• [Presentation] 光合成生物の窒素過剰に対する応答の新理解 (2014)
  • Author(s): 小俣達男、高谷信之、Chang Yajun、上坂一馬、前田真一、井原邦夫、木羽隆敏、伊藤卓朗、兼松璃々子、愛知真木子
  • Organizer: 第55回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 富山
  • Year and Date: 2014-03-18
• [Presentation] Synechococcus elongatus PCC 7942 のP_<II> 欠損株から生じたアンモニア耐性疑似復帰変異株の解析 (2013)
  • Author(s): 上坂一馬、Chang Yajun、高谷信之、前田真一、愛知真木子、井原邦夫、小俣達男
  • Organizer: ラン藻の分子生物学2013
  • Place of Presentation: 木更津
  • Year and Date: 2013-11-22
• [Presentation] Effects of PII deficiency and the toxicity of PipX on growth of the cyanobacterium Synechococcus elongatus (2013)
  • Author(s): Omata, T., Chang, Y., Takatani, N., Uesaka, K., Ihara, K., Maeda, S., Aichi, M.
  • Organizer: 2nd International Symposium on the Nitrogen Nutrition of Plants
  • Place of Presentation: Puerto Varas, Chile
  • Year and Date: 2013-11-19
• [Presentation] Effects of CO_2 enrichment on the growth and metabolism of Arabidopsis thaliana under the constantly nitrogen-limited conditions (2013)
  • Author(s): Takatani, N., Mori, M., Miyamoto, T., Kiga, T., Maeda, S., Omata, T.
  • Organizer: 2nd International Symposium on the Nitrogen Nutrition of Plants
  • Place of Presentation: Puerto Varas, Chile
  • Year and Date: 2013-11-19
• [Presentation] 恒常的窒素不足状態のシロイヌナズナの高CO_2 環境下での窒素利用 (2013)
  • Author(s): 高谷信之、宮本哲郎、森万里恵、木羽隆敏、前田真一、小俣達男
  • Organizer: 日本植物学会第77回大会
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2013-09-15
• [Presentation] モウセンゴケ属植物3種の高窒素条件下で起こる細胞死はNO_2^-により誘導される (2013)
  • Author(s): 兼松璃々子、豊田歩、上野薫、小俣達男、南基泰、愛知真木子
  • Organizer: 日本植物学会第77回大会
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2013-09-14
• [Presentation] 食虫植物トウカイモウセンゴケNH_4^+によりNR 遺伝子の発現が抑制される (2013)
  • Author(s): 兼松璃々子、上野雄貴、豊田歩、上野薫、小俣達男、南基泰、愛知真木子
  • Organizer: 第54回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 岡山
  • Year and Date: 2013-03-23
• [Presentation] Effects of P_<II> deficiency on growth of Synechococcus elongatus PCC 7942 (2013)
  • Author(s): Chang Yajun、高谷信之、愛知真木子、前田真一、小俣達男
  • Organizer: 第54回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 岡山
  • Year and Date: 2013-03-23
• [Presentation] 高CO_2 環境における恒常的窒素制限状態のシロイヌナズナの代謝 (2013)
  • Author(s): 宮本哲郎、高谷信之、森万里恵、木羽隆敏、前田真一、小俣達男
  • Organizer: 第54回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 岡山
  • Year and Date: 2013-03-21
• [Presentation] 食虫植物トウカイモウセンゴケとその両親種における富栄養条件下での枯死要因はNO_2^-か (2012)
  • Author(s): 兼松璃々子、後藤孝文、豊田歩、森島志依名、小俣達男、南基泰、愛知真木子
  • Organizer: 日本植物学会第76回大会
  • Place of Presentation: 姫路
  • Year and Date: 2012-09-16
• [Presentation] 恒常的窒素制限状態のシロイヌナズナにおいて高CO_2 環境で顕在化する窒素欠乏の症状 (2012)
  • Author(s): 高谷信之、森万里江、宮本哲郎、木羽隆敏、前田真一、小俣達男
  • Organizer: 第53回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 2012-03-17
• [Presentation] 交雑起源種トウカイコモウセンゴケとその両親種における富栄養条件下での生育阻害要因について (2012)
  • Author(s): 兼松璃々子、後藤孝文、豊田歩、森島志依名、上野薫、小俣達男、南基泰、愛知真木子
  • Organizer: 第53回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 2012-03-17
• [Presentation] 恒常的窒素不足状態の植物の代謝系に及ぼす高CO_2 環境の影響 (2012)
  • Author(s): 宮本哲郎、高谷信之、森万里江、木羽隆敏、前田真一、小俣達男
  • Organizer: 第53回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 2012-03-16
• [Presentation] 恒常的窒素不足条件下における植物の生育に対する高CO_2 環境の影響 (2012)
  • Author(s): 森万里江、高谷信之、宮本哲郎、木羽隆敏、前田真一、小俣達男
  • Organizer: 第53回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 2012-03-16
• [Presentation] 定常的窒素不足状態のシロイヌナズナの生育に対する高CO_2 環境の影響 (2011)
  • Author(s): 高谷信之、森万里江、宮本哲郎、木羽隆敏、前田真一、小俣達男
  • Organizer: 日本植物学会第75回大会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2011-09-18
• [Presentation] 交雑起源種トウカイコモウセンゴケとその両親種の硝酸同化系遺伝子の解析 (2011)
  • Author(s): 兼松璃々子、豊田歩、森島志依名、井原邦夫、上坂一馬、上野薫、小俣達男、南基泰、愛知真木子
  • Organizer: 日本植物学会第75回大会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2011-09-17
• [Presentation] 定常的窒素不足状態に曝されたシロイヌナズナの生育に対する高CO_2環境の影響 (2011)
  • Author(s): 高谷信之、森万里江、木場隆敏、前田真一、小俣達男
  • Organizer: 第52回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2011-03-20
• [Presentation] 東海丘陵要素トウカイコモウセンゴケとその両親種の硝酸同化系遺伝子の解析 (2011)
  • Author(s): 豊田歩、上坂一馬、上野薫、南基泰、小俣達男、井原邦夫、小田原卓郎、那須守、米村惣太郎、横田樹広、愛知真木子
  • Organizer: 第52回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2011-03-20
• [Presentation] 定常的窒素不足条件下での植物の生育に対する高CO_2環境の影響 (2010)
  • Author(s): 高谷信之、森万里江、木場隆敏、前田真一、小俣達男
  • Organizer: 日本植物学会第74回大会
  • Place of Presentation: 春日井
  • Year and Date: 2010-09-11
• [Presentation] 東海丘陵要素トウカイコモウセンゴケの窒素応答性は母親種であるコモウセンゴケに類似している (2010)
  • Author(s): 豊田歩、市橋泰範、近藤香苗、吉村久、中辰元、上野薫、南基泰、小俣達男、小田原卓郎、那須守、米村惣太郎、横田樹広、愛知真木子
  • Organizer: 日本植物学会第74回大会
  • Place of Presentation: 春日井
  • Year and Date: 2010-09-11
• [Presentation] 東海丘陵要素植物トウカイコモウセンゴケとその両親種における窒素感受性の違いについて (2010)
  • Author(s): 豊田歩、小俣達男、愛知真木子, 他計13名
  • Organizer: 第51回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 熊本
  • Year and Date: 2010-03-21