植物が気孔を開閉する仕組みに関する画期的なメカニズムを発見。
米国のNSF(National Science Foundation/全米科学財団/国立科学財団)は2022年12月07日に、呼吸は一般に不随意運動であるため、私たちはその複雑さを忘れてしまうことがある。
しかし、生物学者は、植物におけるこの複雑なプロセスについて新たな知見を得つつあり、将来の世界の食糧確保に大きな影響を与えることになる。
カリフォルニア大学サンディエゴ校の研究者達(Researchers at the University of California San Diego)は、NSFの助成を受け、エストニア(Estonia)とフィンランド(Finland)の共同研究者とともに、植物が二酸化炭素を「呼吸」させるのに使用する、とらえどころのない分子経路を発見した。
研究者らは、このメカニズムを利用することで、大気中の二酸化炭素濃度が上昇し続ける中で、植物の水利用効率や炭素摂取量を工学的に制御することにつながると期待している。研究者らは、この研究成果を作物育種家や農家のためのツールとして活用する方法を検討し、特許を申請している。
本研究成果は、Finland、米国科学誌『Science Advances』に掲載されました。
RESEARCH ARTICLE
PLANT SCIENCES
Share on
Stomatal CO2/bicarbonate sensor consists of two interacting protein kinases, Raf-like HT1 and non-kinase-activity activity requiring MPK12/MPK4
YOHEI TAKAHASHI HTTPS://ORCID.ORG/0000-0002-9406-4093 ,
KRYSTAL C. BOSMANS HTTPS://ORCID.ORG/0000-0002-4737-9009,
PO-KAI HSU HTTPS://ORCID.ORG/0000-0001-7265-7077,
KARNELIA PAUL HTTPS://ORCID.ORG/0000-0002-3921-7800,
CHRISTIAN SEITZ HTTPS://ORCID.ORG/0000-0002-5159-8896,
CHUNG-YUEH YEH HTTPS://ORCID.ORG/0000-0003-4771-4222,
YUH-SHUH WANG HTTPS://ORCID.ORG/0000-0002-9193-1235,
DMITRY YARMOLINSKY HTTPS://ORCID.ORG/0000-0002-9372-6091,
MAIJA SIERLA HTTPS://ORCID.ORG/0000-0002-8493-3582, [...] ,
TRIIN VAHISALU HTTPS://ORCID.ORG/0000-0001-6050-0320,
J. ANDREW MCCAMMON HTTPS://ORCID.ORG/0000-0003-3065-1456,
JAAKKO KANGASJÄRVI HTTPS://ORCID.ORG/0000-0002-8959-1809,
LI ZHANG HTTPS://ORCID.ORG/0000-0003-0467-0290,
HANNES KOLLIST HTTPS://ORCID.ORG/0000-0002-6895-3583,
THIEN TRAC, AND JULIAN I. SCHROEDER HTTPS://ORCID.ORG/0000-0002-3283-5972
JULIAN I. SCHROEDER HTTPS://ORCID.ORG/0000-0002-3283-5972
Authors Info & Affiliations
SCIENCE ADVANCES
7 Dec 2022
Vol 8, Issue 49
DOI: 10.1126/sciadv.abq6161
ストマータって何？
植物は二酸化炭素と水を取り込み、それを光で栄養に変えて成長する。このとき酸素が発生し、それを人間や他の動物が呼吸する。これが光合成の基本的な仕組みである。でも、具体的にはどうなっているのでか？
その仕組みは、ミクロの世界に目を向けるとよくわかる。葉の裏側などには、植物によって異なるが、気孔と呼ばれる小さな穴があり、1枚の葉に数千個、植物の種類によって異なる。小さな城門のように、気孔の両側にある一対の細胞（ガード細胞）が中央の気孔を開いて、二酸化炭素を取り込みます。しかし、気孔が開いていると、植物の内部は外気にさらされ、植物の水分が周囲の空気に奪われ、植物が乾燥してしまう。そのため、植物は気孔が開いている時間をコントロールすることで、二酸化炭素の摂取量と水蒸気の損失量のバランスをとる必要がある。
「今回の研究を率いたカリフォルニア大学サンディエゴ校トーリーメサ研究所の植物科学ジュリアン・シュローダー教授(Julian Schroeder, Torrey Mesa Research Institute chair in plant science at UC San Diego, who led the new research)は、「変化への対応は植物の成長にとって重要であり、植物が水をどれだけ効率よく利用できるかを調節する。
気候が変化すると、大気中の二酸化炭素濃度と気温の両方が上昇し、二酸化炭素の侵入と気孔による水蒸気の喪失のバランスに影響を与える。植物、特に小麦、米、トウモロコシなどの作物が新しいバランスを取ることができなければ、乾燥する危険があり、農家は貴重な生産物を失い、世界中のより多くの人々が飢える危険がある。農業が進歩しても、2021年に発表されたNSFの資金提供による研究によると、過去60年間の世界の農業生産性は、気候変動がない場合に比べ、まだ21%低いことが判明した。
科学者たちは、気孔と、二酸化炭素の摂取と水分の喪失のバランスについて長い間理解してきた。しかし、植物がどのようにして二酸化炭素を感知し、二酸化炭素濃度の変化に応じて気孔の開閉を行うのかについては、これまでわかっていなかった。このことが分かれば、植物が二酸化炭素の吸収と水分の排出のバランスを正しく保つことができるように、研究者がそのシグナルを編集することが可能になり、科学者や育種家が将来の環境に適した丈夫な作物を生産することができるようになる。
警備員を呼び出す
研究チームは、二酸化炭素濃度を感知して「門を閉めろ！」と叫び、ガード細胞を弛緩させて気孔を閉じさせる、連隊のように働く一連のタンパク質を同定した。
「植物の二酸化炭素センサーが2つのタンパク質で構成されていることを発見したことは、啓発的であり、これまでメカニズムが特定されていなかった理由かもしれません」と、ジュリアン・シュローダー教授は述べている。「過去20年にわたるNSFの支援は、このとらえどころのない経路を突き止めるために不可欠であった。
「この研究は、遺伝学、モデリング、システム生物学など、様々な分野を融合させた好奇心旺盛な研究の素晴らしい例であり、この場合、より丈夫な作物を作ることによって、社会を支援する能力を持つ新しい知識をもたらしてくれます」とNSFの生物科学部門のプログラムディレクターであるマシュー・ビュヒナー(Matthew Buechner, a program director in NSF's Directorate for Biological Sciences)は述べた。
二酸化炭素が少ない環境では、植物は光合成に必要な量を得るために気孔を長く開けておく必要があり、HT1と呼ばれるタンパク質が酵素を活性化してガード細胞を膨らませ、気孔を開けたままにする。
植物が二酸化炭素の増加を感知すると、2番目のタンパク質が1番目のタンパク質が気孔を開いたままにするのをブロックし、気孔は閉じられる。植物が光合成に必要な資源を十分に得る前に気孔が閉じてしまうと、農作物の収穫量が低下するか、あるいは全く収穫できなくなる。
NSFのプログラムディレクターで、NSFに入る前は植物細胞生物学を研究していたリチャード・シアー(Richard Cyr, an NSF program director who studied plant cell biology prior to joining the agency)は、「CO2レベルが変化する中で植物が気孔を制御する方法を明らかにすることは、研究の新しい道筋や社会的課題に取り組むための可能性を生み出すものです」と語っている。
植物の小さな気孔の開閉
著者について
コミュニケーション・スペシャリストのジャレド・ダショフ(Jared Dashoff)
NSFの生物科学部門に所属するコミュニケーション・スペシャリスト。
NSF入社以前は、防衛から教育、ヘルスケアまで、さまざまな業界の組織でコミュニケーション資料や戦略の開発に携わる。
言葉や言語に対する愛情は、プロフェッショナルな仕事にとどまらず、クロスワードパズルのトーナメントにも定期的に参加しており、アメリカのクロスワードパズルトーナメントのドキュメンタリーのDVDエキストラにも出演している。
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq6161
https://beta.nsf.gov/now-leaving-b6080ec977d9f697b9b745cc03