【研究領域課題番号】21H02171 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光合成 / 環境応答 / 地球温暖化 / 高CO2 / 変動光

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2021-04-01 - 2024-03-31

【配分額】17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)

【研究領域課題番号】18KK0170 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光合成 / 水利用効率 / 可視化 / クロロフィル蛍光 / 環境応答 / 乾燥ストレス / 気孔 / サーモグラフィ / 蒸散 / 電子伝達

【研究成果の概要】

灌漑水を節減した条件下で、生産性を維持・向上する節水型農業が求められており、植物の水利用効率の向上に関する研究は必須である。本研究課題では、節水条件において高い生産性を示す植物の創成を目指し、基盤研究を行った。クロロフィル蛍光パラメータと葉温の画像を同時計測するシステムを開発し、水利用効率の形質計測と遺伝子のスクリーニングに適用できることを明らかにした。また、植物の水利用効率の遺伝的改良に向けた基盤研究を行った結果、灌漑水の節減条件下における物質生産能力の強化に有効な因子を複数見出すことができた。

【研究の社会的意義】

灌漑水を節減した条件下で、生産性を維持・向上する節水型農業が求められており、植物の水利用効率の向上に関する研究は必須である。本研究課題では、植物の水利用効率の可視化装置のプロトタイプを開発することができた。これによって、今後、植物の水利用効率の決定機構の解明と同時に、灌漑水の節減条件において高い物質生産能力を有する植物の創出を目指すことが可能となった。投入資源を節減しながら優れた生産性を維持し、かつ環境と調和した農業を目指していくことは、途上国における生産性改善に寄与するとともに、作物栽培の低コスト化や節水農業が推進されているわが国においても重要な方向といえる。

【研究種目】国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B))

【研究期間】2018-10-09 - 2022-03-31

【配分額】18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円)

【研究領域課題番号】18H02185 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光合成 / 変動光 / 環境応答 / 気孔 / 電子伝達 / Rubisco / 光合成誘導

【研究成果の概要】

野外環境において植物の受ける光環境は、天候や植物体同士の相互被陰によって一日を通して常に変動している。長年、変動光に対する光合成応答メカニズムについては不明瞭な点が多い。本申請課題では、光が激しく変動する野外環境における光合成量の向上に寄与する諸反応の分子機作の解明を目指した。申請者らの研究成果によって、１）ヒメツリガネゴケ由来Flavodiiron protein（Flv）遺伝子導入による電子伝達系の改変、２）Rubisco活性化因子であるRubisco activaseの改変、３）気孔開閉の迅速化によって、変動光に対する光合成能力の向上に成功した。

【研究の社会的意義】

バイオマス増大に向けての育種戦略を示すため、変動光環境において、光合成の包括的理解から光合成装置全体の最適化を目指す計画は革新的である。本申請課題は野外環境における光合成機能の強化に向けた基盤技術の確立に寄与し、植物にとって必須な “光”に対する植物の適応性を高める意義は大きい。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)

【研究分野】植物分子・生理科学

【研究領域課題番号】16K20962 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光合成 / 電子伝達 / 炭素同化 / 環境応答 / 変動光 / NDH complex / PGR5 / リニア電子伝達 / サイクリック電子伝達 / NDH複合体 / 遠赤色光 / 植物分子生理 / 植物生理生態

【研究成果の概要】

光は植物の光合成に必須であるが、過剰な光の受容は活性酸素の生成を招き、植物の光合成装置に障害を与える。この光阻害を回避するための適応戦略として、サイクリック電子伝達経路の機能が重要であると考えられている。高等植物では、PGR5-PGRL1タンパク質とNDH複合体の二つがサイクリック電子伝達に関与することが知られているが、それらの生理機能は不明な点が多かった。本研究成果によって、２つのサイクリック電子伝達経路が共に働くことで、「変動する光環境ストレス」による光合成阻害を回避して身を守るという植物の調節メカニズムが明らかとなった。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2016-04-01 - 2018-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】植物分子・生理科学

【研究領域課題番号】15H04386 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

植物 / 細胞膜プロトンポンプ / 光合成 / 養分吸収 / 植物ホルモン / リン酸化 / シグナル伝達 / 環境応答

【研究成果の概要】

本研究では、維管束植物における根での無機養分取り込み、篩部でのスクロース取り込み、気孔開口など多くの生理現象において重要な役割を果たしている細胞膜プロトンポンプの解析を進め、その活性調節機構や生理的役割の解明を目的として研究を進めてきた。その結果、陸生植物において光合成に依存した活性化機構が進化的に保存されていること、イネの根の細胞膜プロトンポンプが無機養分であるケイ素により活性化されること、植物ホルモンであるオーキシンやブラシノステロイドによる細胞膜プロトンポンプの活性機構などが明らかとなり、これまで知られていなかった細胞膜プロトンポンプの多様な活性調節機構や生理的役割の一端を解明した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円)

【研究分野】植物分子・生理科学

【研究領域課題番号】26291055 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光阻害 / 光化学系 I / 光化学系II / 変動光 / 遠赤色光 / 光科学系I / 光科学系 / 活性酸素 / 光環境馴化 / 光化学系I / 環境応答 / 光合成 / 光化学系I循環的電子伝達

【研究成果の概要】

野外の植物の光阻害の速度定数は、過剰エネルギー量あるいは非制御エネルギー散逸量と強い相関を示した。また野外の植物には過剰エネルギーを熱として散逸する能力が高い傾向があった。
シロイヌナズナののpgr5変異体の葉に、赤色光の穏やかな強光と弱光を2分毎に繰り返す変動光処理を1時間程度施すと、光化学系Iの顕著な阻害が見られた。この阻害は野生型でも見られた。一方、変動光処理の際に遠赤色光が共存すると阻害はほぼ完全に抑制された。遠赤色光の存在下では、強光照射、弱光照射、いずれの時にも光化学系I反応中心が酸化状態にあり、これが抑制に寄与している。強光照射時には循環的電子伝達の抑制への寄与も大きい。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】15,990千円 (直接経費: 12,300千円、間接経費: 3,690千円)

【研究分野】植物分子・生理科学

【研究領域課題番号】25891005 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光合成 / 電子伝達 / サイクリック電子伝達 / 環境応答 / CO2同化 / リニア電子伝達 / NDH complex / 弱光 / 変動光

【研究成果の概要】

植物は太陽から光エネルギーを吸収して、電子伝達経路において還元力（NADPH）や化学エネルギー（ATP）を合成する。そして、それらのNADPHやATPを利用して、二酸化炭素を固定し糖やデンプンを生産する。光合成における電子伝達経路には、リニア電子伝達経路と光化学系Iサイクリック電子伝達経路系が存在する。光化学系Iサイクリック電子伝達は半世紀以上前に発見されたが、その生理機能は不明のままであった。本研究成果によって、NDH複合体に依存する光化学系Iサイクリック電子伝達経路は弱光環境下における光合成電子伝達反応の最適化に重要な役割を果たすことが明らかとなった。

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2013-08-30 - 2015-03-31

【配分額】2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)

【研究分野】農業環境工学

【研究領域課題番号】24248043 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

リモートセンシング / 画像計測 / 蒸発散 / 光合成 / クロロフィル蛍光 / 環境影響 / 情報工学 / 植物 / 環境応答

【研究成果の概要】

植物群落の時空間機能情報のモニタリングと解析評価手法の開発に関する研究を行った。例えば、関東地方や摩周湖周辺の衛星(LANDSAT)データから、蒸発散指標(iTVDI)を計算し、森林衰退の早期診断に有効であることを示した。また、大気酸素の吸収帯のO2Aバンドを利用して、太陽光下でクロロフィル蛍光パラメータを求める新しい方法(FLD-LISP法）やクロロフィル蛍光画像計測システムを開発し、光合成機能診断に適用した。さらに、地上やドローンなどから作物や樹木の３次元形状や植生指数、温度などを計測し、高精度で植物の形質評価を行う方法を開発した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2012-04-01 - 2017-03-31

【配分額】44,200千円 (直接経費: 34,000千円、間接経費: 10,200千円)

【研究分野】植物分子生物・生理学

【研究領域課題番号】23657029 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

環境応答 / 気孔 / アポプラスト / 葉肉シグナル / CAM / 概日リズム / 葉肉 / 青色光受容体 / 光合成 / 緑色光効果

【研究成果の概要】

気孔応答の背腹性を調べる上で、気孔の環境応答が、気孔孔辺細胞のみの機能によるのか、葉肉の機能も気孔に影響を及ぼすのかは、解いておかなければならない問題である。ツユクサの葉片、剥離表皮、剥離表皮を葉肉に再び載せたもの、をゲル上で長時間観察することができるシステムを構築し、赤色光下の気孔開孔、および高CO2下の閉口には葉肉組織からのシグナルが関与していることが分かった。赤色光下の開孔への葉肉シグナルには光合成機能が必須、高CO2下の閉口には光合成が関与しないことも明らかになった。これらの結果は、単色光ごとに葉肉因子の解析が必要であることを示している。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2011 - 2012

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】植物分子生物・生理学

【研究領域課題番号】23370015 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

システミック調節 / 植物ホルモン / 相対成長率 / 成熟葉ファクター / 光合成 / ジベレリン / サイトカイニン / 環境応答 / 被陰 / システミック / 地上部／地下部比 / 葉の厚さ / 相対成長速度 / 柵状組織 / 海綿状組織 / 部分被陰 / 酸化還元

【研究成果の概要】

シロイヌナズナを用いて、成熟葉の光環境が発生途上の葉に及ぼす影響を調べた。若い葉の葉身の長軸／短軸比、解剖学的性質は自身の光環境とともに成熟葉の光環境に影響された。
植物ホルモンのジベレリン（GA）とサイトカイニン（CK）が光環境やN条件に応じて植物体内の物質分配を調節するシグナルである可能性を検証した。材料としてイタドリを用い、強光・弱光、高N・低N条件下で栽培し、外生GA、CK、GA合成阻害剤を添加したときの形態的・生理的形質の変化を解析した、外生GA、CKによってL/Rは増加し、GA阻害剤によってL/Rが低下した。また、外生GAはLMAを低下させ、GA合成阻害剤はLMAを増加させた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】18,330千円 (直接経費: 14,100千円、間接経費: 4,230千円)

【研究分野】植物生理

【研究領域課題番号】14340250 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光合成 / 環境応答 / 調節因子 / クロロフィル蛍光 / パルス変調 / スクリーニング / シロイヌナズナ / T-DNA / 画像解析 / T-DNAタグライン / 遺伝学的解析

【研究成果の概要】

植物の生育、ひいては地球上のほとんどの生物の生育は光合成のエネルギーに依存しており、光合成の研究は、基礎研究の面からも、農学的、環境学的観点からも、盛んに行われてきた。ところが、植物が実際に自然界で生存し続けてゆくために重要な、環境に変化に応じた光合成の調節機構に関しては、まだ、ほとんど知見が得られていないのが現状である。そこで、この問題点を解決する手段として、材料に、遺伝的な解析が可能なシロイヌナズナのT-DNAタグラインを用い、環境応答に関する変異株をクロロフィル蛍光の2次元解析によりスクリーニングした。その結果、光合成系に微妙な変化の生じた変異株を数多く単離し、これらを解析することによって、光合成の制御メカニズムを解明することができた。これまでのスクリーニングによって、興味深い変異株が1つ得られ、cfa1と名付けた。cfa1の光合成の量子収率自体には大きな異常を示さないが、非光化学消光が野生株に比べて若干減少していた。今年度はこの変異株を詳細に解析した結果、光合成電子伝達のうち、循環的電子伝達に欠損があることを見いだした。循環的電子伝達にはPGR5が関与しているFQRを介した経路とNDHを介した経路の2つが存在することが知られている。NDH経路の活性化を、確認したところ、cfa1変異株にも野生型と同様のNDH経路の活性が見られた。このことから、cfa1変異株は循環的電子伝達の中でもFQRの経路に欠損があることが示された。酸素フリーの条件で強光を照射しNPQを測定すると、野生型では徐々にNPQが誘導されたのに対してcfa1変異株ではその誘導がさらに遅くなり、37-19-7ではcfa1変異株よりさらに遅くなった。このことから、pgr5はFQR経路の主要部分に影響を及ぼしているのに対し、cfa1はFQR経路の調節に影響を及ぼすと考えられる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2002 - 2004

【配分額】13,200千円 (直接経費: 13,200千円)