2013/12/26 Category : 未選択 名大、植物の気孔の開口制御技術を開発し植物の生産量増加に成功 気孔の開口を大きくして、植物の生産量の増加に成功＜ポイント＞ ・二酸化炭素（CO2）削減に大きく貢献する植物の創成が求められている。 ・気孔開口制御技術を開発し、植物のCO2吸収量と生産量が向上。 ・農作物やバイオ燃料用植物の収量増加や、植物を利用したCO2削減への応用が期待される JST課題達成型基礎研究の一環として、名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所（WPI－ITbM）の木下俊則教授とワン・イン研究員らは、気孔（注１）の開口を大きくすることで光合成と植物の生産量を増加させる技術を開発しました。 気孔は、植物におけるCO2の唯一の取り込み口です。植物が盛んに光合成（注２）を行っているとき、CO2を気孔から取り込みますが、気孔において生じる抵抗（気孔抵抗（注３））がCO2の取り込み量を制限していました。もし、気孔をより大きく開かせることができれば、植物の生産量の向上が期待されます。しかし、これまでに気孔開口を制御する技術は報告されていませんでした。 本研究グループは、気孔を開かせる原動力となる細胞膜プロトンポンプ（注４）をシロイヌナズナ（注５）の気孔でのみ増加させたところ、気孔の開口が２５％ほど大きくなることを発見しました。その結果、植物のCO2吸収量（光合成量）が約１５％向上し、生産量が１．４～１．６倍増加することを明らかにしました。 今後、この技術を用いることにより、農作物やバイオ燃料用植物の生産量増加や、植物を利用したCO2削減への応用が期待されます。 本研究は、東京大学大学院理学系研究科の寺島一郎教授と野口航准教授の協力を得て行いました。 本研究成果は、２０１３年１２月２３日（米国時間）の週に米国科学誌「米国科学アカデミー紀要（PNAS）」のオンライン速報版で公開されます。 本成果は、以下の事業・開発課題によって得られました。 戦略的創造研究推進事業先端的低炭素化技術開発（ALCA） 開発課題名：「気孔開度制御による植物の光合成活性と生産量の促進」 研究代表者：木下俊則（名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所教授） 研究期間：平成２２年度～平成２７年度（予定） JSTは本事業において、温室効果ガスの排出削減を中長期にわたって継続的かつ着実に進めていくために、ブレークスルーの実現や既存の概念を大転換するような『ゲームチェンジング・テクノロジー』の創出を目指し、新たな科学的・技術的知見に基づいて温室効果ガス削減に大きな可能性を有する技術を創出するための研究開発を実施しています。＜研究の背景と経緯＞ 植物は光合成を行うことにより、私たちに農作物を提供するだけでなく、CO2を吸収し、地球環境を整えています。植物における唯一のCO2取り込み口となっているのが、植物の表面に存在する気孔と呼ばれる孔（あな）です。気孔は、太陽光下で開口して光合成に必要なCO2を取り込んでいます（図１）。これまでの研究により、光による気孔開口には、青色光受容体フォトトロピン（注６）、気孔開口の駆動力を形成する細胞膜プロトンポンプや内向き整流性カリウムチャネル（注７）の関与が明らかとなってきました（図２）。 植物が太陽光のもとで盛んに光合成を行っているとき、多くのCO2を必要としますが、気孔の孔を通る際に生じる抵抗（気孔抵抗）がCO2取り込みの主要な制限要因となっており、植物の光合成が制限されていることが知られていました。よって、植物の光合成活性を向上させるためには、気孔の開き具合を大きくし、気孔抵抗を低下させることが、１つの解決法として考えられます。しかし、これまで人為的に気孔の開口を大きくする技術は開発されていませんでした。＜研究の内容＞ 本研究では、これまでの研究により明らかとなった光による気孔開口反応に関わる主要因子（青色光受容体フォトトロピン、細胞膜プロトンポンプ、内向き整流性カリウムチャネル）（図２）を、気孔を構成する孔辺細胞のみで発現を誘導することが知られているGC１プロモーターを用いて、孔辺細胞だけに発現量を上昇させ気孔開口を促進させることができるかどうかを調べました。その結果、気孔開口の駆動力を形成する細胞膜プロトンポンプの孔辺細胞での発現量を増加させることで、光による気孔開口が通常よりも２５％大きくなることを発見しました（図３）。 さらに、詳細な解析を進めたところ、プロトンポンプ過剰発現株では、CO2吸収量（光合成活性）が約１５％増加しており（図４）、植物の生産量が１．４～１．６倍増加スることを明らかにしました（図５）。また、過剰発現株では、野生株と同様な乾燥応答や乾燥耐性が見られました。このことは、過剰発現株が野生株と同様の水分環境で生育可能であることを示しています。一方で、そのほかの因子の場合は、植物の生産量増加に直接結びつかないことがわかりました。 以上の結果は、細胞膜プロトンポンプが気孔開口の制限因子であり、気孔開度が光合成と生産量の制限要因であることを実証する初めての成果となりました。さらに、本研究により、人為的に気孔の開口を大きくすることで植物の生産量を増加させることに世界で初めて成功しました。＜今後の展開＞ 本研究により、気孔を構成する孔辺細胞における細胞膜プロトンポンプの発現量を増加させることで、気孔の開口を大きくし、植物のCO2吸収量と生産量を増加させることが可能となりました。また、乾燥に対する応答性は野生株と変わらないことから、今後、この技術を利用することによって、農作物やバイオ燃料用植物の生産量増加が大いに期待されます。さらに、植物を利用したCO2削減への応用も考えられ、昨今問題となっている地球のCO2増加の問題の解決にも貢献することが期待されます。 ※参考図・用語解説は添付の関連資料を参照＜論文タイトル＞ “Overexpression of plasma membrane H+-ATPase（◇） in guard cells promotes light-induced stomatal opening and enhances plant growth” （気孔開口促進による植物の生産量の向上） PR Comment0 Comment Comment Form お名前name タイトルtitle メールアドレスmail address URLurl コメントcomment パスワードpassword
