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葉と茎を無くしたら根で光合成をすればいい?

環境に応じて柔軟に葉緑体を発達させるしくみを解明

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総合文化研究科・教養学部
2017/04/20

© 2017 小林 康一光合成活性の様子をクロロフィル蛍光イメージング装置で可視化した画像。「地上部あり」は茎や葉を除くことなく育てたシロイヌナズナの根。「地上部なし」はシロイヌナズナの茎や葉を除き、根のみを7日間育てたもの。普通のシロイヌナズナ(野生株)では茎や葉がなくなると光合成活性が向上しているのが分かる(図では、青から紫の領域が拡大)。さらに、GNLを人工的に過剰に発現させたシロイヌナズナでは茎や葉を取り除かなくても光合成の活性が高くなっている。

可視化したシロイヌナズナの根の光合成活性
光合成活性の様子をクロロフィル蛍光イメージング装置で可視化した画像。「地上部あり」は茎や葉を除くことなく育てたシロイヌナズナの根。「地上部なし」はシロイヌナズナの茎や葉を除き、根のみを7日間育てたもの。普通のシロイヌナズナ(野生株)では茎や葉がなくなると光合成活性が向上しているのが分かる(図では、青から紫の領域が拡大)。さらに、GNLを人工的に過剰に発現させたシロイヌナズナでは茎や葉を取り除かなくても光合成の活性が高くなっている。
© 2017 小林 康一

東京大学大学院総合文化研究科の小林康一助教、増田建教授、和田元教授らの共同研究グループは、植物の根が、光合成を担う地上部の器官(葉と茎)を失うと、植物ホルモンのサイトカイニンを通して光合成の能力を高めるしくみを明らかにしました。本成果は植物が環境に応じて光合成能力を高めるしくみの解明につながると期待されます。

色素体は植物に特有の細胞内小器官であり、細胞ごとにさまざまな役割を担い、多様な細胞の機能を支えています。なかでも光合成を担う葉緑体は植物の成長に必要不可欠ですが、その発達が組織や細胞の機能に応じてどのように制御されるのかはよく分かっていませんでした。

今回、共同研究グループは、植物の研究に適したシロイヌナズナを用いて、シロイヌナズナが葉と茎を失った場合、植物は傷害に反応するタンパク質の働きを通して植物ホルモンであるサイトカイニンに対する感受性を高め、根の光合成能力を向上させることを明らかにしました。さらに、この反応に葉緑体の発達に関わる別のタンパク質(転写因子、GNL)が深く関与することも突き止めました。通常、根はエネルギー源を地上部で行われる光合成に頼っています。しかし、地上部を失った際には植物ホルモンのバランスを変えることで組織の再生を促すとともに、葉緑体の発達や光合成の活性化を促進し、生き残る可能性を高めていると示唆されました。

本研究は、植物が環境に柔軟に適応しながら光合成による生産性を維持・拡大するしくみの解明に大きく貢献するものです。

「これまで植物の光合成研究はもっぱら葉を用いて行われてきましたが、今回、通常は光合成を行わない根が緑化する現象に着目することで、葉緑体の発達を制御する新しいしくみを明らかにできました。」と小林助教は話します。「雑草を抜いたときに残った根からまた葉が再生してくることがありますが、その時には、今回私たちが発見した、根で光合成が活性化するしくみが働いているのかもしれませんね」と続けます。

なお本研究は、理化学研究所環境資源科学研究センターの岩瀬哲研究員と杉本慶子チームリーダーと共同で行われたものです。

 

プレスリリース [PDF]

論文情報

Koichi Kobayashi, Ai Ohnishi, Daichi Sasaki, Sho Fujii, Akira Iwase, Keiko Sugimoto, Tatsuru Masuda and Hajime Wada, "Shoot removal induces chloroplast development in roots via cytokinin signaling", Plant Physiology Online Edition: 2017/2/13 (Japan time), doi:10.1104/pp.16.01368.
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