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気孔をすばやく開かせることで、野外における植物の成長促進に成功

東京大学 大学院農学生命科学研究科のプレスリリース2020年 02月 28日

木村 遼希(生物科学専攻 博士課程1年生)
橋本(杉本)美海(名古屋大学大学院生命農学研究科 助教)
射場 厚(九州大学大学院理学研究院 生物科学部門 教授)
寺島 一郎(生物科学専攻 教授)
矢守 航(現:大学院農学生命科学研究科 附属生態調和農学機構 准教授
/研究当時:生物科学専攻 准教授)

発表のポイント
・野外では、雲の動きや上部に存在する葉の動きによって葉の受ける光強度は大きく変動します。光強度が一定の環境で植物の光合成や生産性を向上した例はいくつかありますが、野外で見られる「変動する光環境」において植物の光合成や生産性の向上に成功した研究例はほとんどありません。
・今回の研究では、光強度の上昇に応じて気孔をすばやく開かせることで、野外の光環境を模した変動光環境において光合成および植物成長を促進することに成功しました(添付図)。
・本研究成果は、地球レベルの大気CO2の削減や食料増産のために必須な光合成効率の改善や光合成生産向上のための技術基盤となると考えています。

発表概要:
野外環境において、雲の切れ間から降り注ぐ光や、風で揺らめく植物の葉の間から差し込む光によって、植物の受ける光量は頻繁に変動している。弱光下に置かれた葉に強い光があたると光合成速度は徐々に上昇し、やがて定常状態に達する。この現象を光合成誘導反応と呼ぶ。光合成誘導反応が起こっている間、植物は本来の光合成能力を最大限発揮することができていない。そこで、光合成誘導に要する時間を短縮することによって、野外の変動する光環境における植物生産性を向上させようという取り組みが、世界中でなされている。
東京大学大学院理学系研究科の木村遼希 大学院生、大学院農学生命科学研究科の矢守航 准教授(研究当時:大学院理学系研究科 准教授)らは、モデル植物であるシロイヌナズナの気孔が開いたままの変異体では、野生型の個体に比べて光合成誘導期間が90%ほども短縮されることを見出した。この光合成誘導に要する時間の短縮によって、変動する光環境における光合成速度が最大で45%、植物体の成長量が50%増加した。しかし、これらの変異体では、気孔が開いていることでCO2を取り込むことはできるものの、同時に多くの水も失われるため、水利用効率が野生型に比べて著しく低かった。そこで、気孔が光に応じてすばやく開閉する形質転換体を用いて同様の測定を行ったところ、光合成誘導期間は野生型に比べて65%短縮された。気孔開口の迅速化によって、変動する光環境における光合成速度が最大で40%、植物体の成長量は50%も増加した。さらに、特筆すべきは、この形質転換体は環境に応じて気孔を適切に閉鎖するので、野生型と同レベルの水利用効率を示したことである。一方、光強度が一定の定常光環境で植物を栽培すると、野生型とこれらの変異体や形質転換体との間に成長量の差はなかった。
本研究では、気孔開口状態の維持および気孔の光応答迅速化によって、光合成誘導に要する時間が短縮され、野外で見られるような変動光環境下において光合成速度および植物体の成長速度が向上することを実証した。さらに、気孔の光応答迅速化によって、野生型よりも高い光合成速度を示しながらも、野生型と同等の水利用効率を達成できることも明らかにした。最近、矢守 准教授らは、イネにおいても気孔開度の維持によって変動光環境下の光合成が増加することを見出した(Yamori et al. (2020) Plant, Cell & Environment)ため、小型モデル植物シロイヌナズナを用いた本研究の成果は、大型作物にも適用できる。これらの研究は、植物の気孔応答には最適化の余地があり、さまざまな変動環境に対する気孔応答の最適化によって野外環境における光合成速度の促進と作物生産性の強化が実現可能であることを強く示唆している。

ジャンル
調査・研究結果
業界
自然・環境
掲載日
2020年 02月 28日
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