研究成果

根の葉緑体を作るのに窒素同化鍵酵素が重要であることを発見
~イネグルタミン合成酵素アイソザイムの巧妙な使い分けを明らかに~

関連プログラム
農産物安定生産

2020年2月17日

国立大学法人 筑波大学
国立大学法人 東北大学
国立研究開発法人 理化学研究所
国立研究開発法人 国際農林水産業研究センター
国立大学法人 岐阜大学

 

根の葉緑体を作るのに窒素同化鍵酵素が重要であることを発見
~イネグルタミン合成酵素アイソザイムの巧妙な使い分けを明らかに~

研究成果のポイント

  1. イネの窒素同化に欠かせない細胞質型グルタミン合成酵素(GS1)アイソザイムのうち、根で働く2種類の働き方の違いを明らかにしました。
  2. 2種類のうちOsGS1;1は炭素・窒素代謝の恒常性制御を担っており、OsGS1;2はアミノ酸生合成に影響を与えていました。また、OsGS1;1の働きを抑制すると、光合成を行わない根に葉緑体が形成されることを世界で初めて明らかにしました。
  3. 葉緑体形成に関係ないと考えられてきた窒素同化および炭素・窒素代謝を制御することで、根に光合成能力を付与できる可能性があることを示す研究成果です。

概要

 筑波大学生命環境系の草野都教授、東北大学の山谷知行名誉教授、理化学研究所環境資源科学研究センターの福島敦史研究員ら、国際農林水産業研究センターの圓山恭之進主任研究員、岐阜大学の山本義治教授の研究グループは、イネの窒素同化に不可欠な細胞質局在型グルタミン合成酵素(OsGS1)のアイソザイムであるOsGS1;1が、光合成を行わない根の葉緑体形成に大きく関わることを明らかにしました。窒素は肥料の三大必須栄養素の一つで、植物の生存に不可欠な葉緑素やアミノ酸等の材料となります。植物体内に取り込まれた窒素はアンモニウムに変換された後、グルタミン合成酵素(GS)によりアミノ酸の一種であるグルタミンを作ります。植物は細胞質局在型GS1をコードする遺伝子を複数個持っていますが、植物が多数のGS1アイソザイムを持つ理由は明らかにされていませんでした。

 本研究では、食糧として重要な作物であるイネのGS1アイソザイムの中で、窒素肥料を与える時期として効果的な生育初期段階で発現するOsGS1;1およびOsGS1;2に着目しました。それぞれの遺伝子を破壊した変異型イネを解析した結果、Osgs1;1変異体の根では中心代謝に属する糖類やアミノ酸類の蓄積バランスが崩れるのに対し、Osgs1;2変異体ではアミノ酸類の量のみが減少することが分かりました。さらに、Osgs1;1変異体では、光合成を行わない根の部分に葉緑体が形成されることを明らかにしました。OsGS1;1は炭素・窒素代謝の恒常性や葉緑体形成など広範な現象に関わり、Osgs1;2は代謝中のアミノ酸生合成制御に特に関わっていることになります。

 本研究の成果は、2020年2月6日付け「Plant Physiology」のオンライン版で公開されました。

*本研究は、さきがけ(研究期間:2013-2017年度)、新学術領域研究(研究期間:2010-2017年度)、科研費(研究期間:2017-2019年度)および国立大学法人運営費交付事業フードセキュリティー実現のための循環型研究拠点の構築(研究期間:2016-2020年度)により実施しました。

掲載論文

題名
Cytosolic GLUTAMINE SYNTHETASE 1;1 modulates metabolism and chloroplast development in roots
(イネ細胞質局在型グルタミン合成酵素 1;1が根の代謝と葉緑体形成を調節する) 
著者名
Miyako Kusano, Atsushi Fukushima, Mayumi Tabuchi-Kobayashi, Kazuhiro Funayama, Soichi Kojima, Kyonoshin Maruyama, Yoshiharu Y Yamamoto, Tomoko Nishizawa, Makoto Kobayashi, Mayumi Wakazaki, Mayuko Sato, Kiminori Toyooka, Kumiko Osanai-Kondo, Yoshinori Utsumi, Motoaki Seki, Chihaya Fukai, Kazuki Saito, and Tomoyuki Yamaya
掲載誌
Plant Physiology DOI: https://doi.org/10.1104/pp.19.01118

問合わせ先

氏 名 草野 都 (くさの みやこ)
筑波大学 生命環境系 教授
〒305-8572 茨城県つくば市天王台1-1-1
E-mail: kusano.miyako.fp@u.tsukuba.ac.jp
Tel: 029-853-4809

*本プレスリリースの詳細については、国立大学法人 筑波大学ホームページ(http://www.tsukuba.ac.jp/attention-research/p202002171400.html)でご覧頂けます。