気孔の二酸化炭素認識に関わるアクアポリン遺伝子の解析
Aquaporin Gene Involving CO2 Response in Stomata
森泉

岡山大学資源植物科学研究所

助教

Izumi C. Mori
Institute of Plant Science and Resource,
Okayama University
Assistant Professor
研究の大要
光合成による二酸化炭素固定化能は，気孔を構成する孔辺細胞の葉内二酸化炭素濃度感知と密接な関係がある．しかしながら，気孔の二酸化炭素感度を決定する 機構は不明である．アクアポリンは水や二酸化炭素等の非極性低分子化合物を透過するタンパク質である．アクアポリンは気孔の運動および二酸化炭素感度の決 定に関与していると予想されているが，これを証明した研究はない．
本研究ではアクアポリンに注目し，孔辺細胞における二酸化炭素輸送機構を解明し，気孔の 二酸化炭素感受性への関与の証明を試みる．この成果はビニールハウスや都市緑化樹木などの高二酸化炭素条件で生育する樹木の育種や選定に役立つ．
Assimilation of carbon dioxide (CO2) is associated with physiology of stomata
that take up CO2 from atmosphere. Stomata aperture opens upon sensing
low internal CO2 concentration to supply CO2 to photosynthetic cells.
However, CO2 sensing mechanism of stomata remains unknown. Aquaporin
is a protein that permeates non-polar low-molecular-weight compounds andsupposed to involved in stomatal movement and CO2 sensitivity. In thisstudy I analyzes CO2 transport mechanism in guard cells and involvement ofaquaporin in CO2 sensitivity.

１．研究目的遺伝子を破壊した植物株を確立した．

光合成器官への CO2 の供給において，気孔抵抗は重要な律速段階である．
すなわち，気孔の開度が様々な環境要因により変化することによって，ある環境条件における CO2 の取り込み速度が律速される．気孔の開閉運動は孔辺細胞で機能する水チャネル（アクアポリン）およびイオンチャネルによる水とイオンの輸送が中心的な役割を果たしており，これらチャネルの活性調節が植物の CO2 固定速度に大きく遺伝子破壊株の気孔閉口を測定し，該影響する．また，CO2 そのものを透過当遺伝子が気孔閉口に決定的な影響する水チャネルも知られており，気孔を示すかどうかを調べた．リンゴ酸型の CO2 感知機構と関連があると考えアニオンチャネル AtALMT12 破壊株にられている．本研究では植物の CO2おいて，気孔閉口運動に欠損が見られ取込み能を高めるために重要な水チたことから，電気生理学的および分子ャネル（アクアポリン）およびイオン遺伝学的に詳細な解析を行い，この遺輸送体を同定し，生理学的／生化学的伝子が気孔閉口運動に重要な役割をにその性質を調べることを目的とし果たしていることを明らかにした．

た．
３．研究成果２．研究経過シロイヌナズナ孔辺細胞を単離し，３−１．アクアポリン遺伝子破壊株の解析

mRNA の発現解析を行った．これによアクアポリン遺伝子を破壊した植り，細胞膜型アクアポリン遺伝子４つ

物株では気孔運動に顕著な異常が見およびリンゴ酸輸送型アニオンチャ

られなかった（図２）．これは遺伝子

ネル遺伝子１つが特徴的に孔辺細胞の機能が重複しているためであるとで発現していることを明らかにした考えられる．研究期間終了までに遺伝（図１）．次に，同定した輸送体遺伝子の二重変異体を作成したが，詳細な子領域に DNA を挿入することにより生理解析までには至っていない．植物

の成長に顕著な影響が見られていなることが証明された．

いことから，現在さらに三重変異体の作出を進めている．

図３

３−２．リンゴ酸透過型アニオンチャ
ネルの分子生理学的解析

３−３．ALMT12 の電気生理学的解析

シロイヌナズナのゲノムにはリンリンゴ酸透過型アニオンチャネル

ゴ酸透過型アニオンチャネルの類似

は名前とは裏腹に，様々なアニオンを遺伝子が１３あることが知られてい透過し，リンゴ酸を透過しない分子種る．ところが，気孔で特異的に発現すも存在し，機能に多様性があることがる類似遺伝子は ALMT12 のみであった． 知られている．
この遺伝子の破壊株の生理学的な解カエル卵母細胞に ALMT12 遺伝子を析を行った（図３）．破壊株ではアブ発現させ，電気生理学的特徴を調べる

シジン酸，暗所およびカルシウム刺激ことにより ALMT12 の機能を推定したによる気孔閉口が見られなかった．蒸（図４）．その結果，硝酸，塩酸等の散速度が野生型と比べて速く，また時１価のアニオンを選択的に透過する間経過による蒸散速度の低下が見らチャネルであることが明らにされた．

れなかった．さらに，非常に萎れやす

このことから，ALMT12 は気孔閉口い特徴を持っていることも明らかに時に孔辺細胞が収縮するが，このときされた．一方気孔開口には顕著な影響の水および塩類の放出を司るアニオは見られなかった．これらのことから， ンチャネルの実体であることが示唆
ALMT12 遺伝子が気孔閉口に重要であされた．この遺伝子の機能が低下する

と，気孔が常に開き気味となり，光合った．結果に示さなかったが，アクア成活性が高まる可能性が考えられる

ポリンによる CO2 透過性を評価するが，本研究の期間内では光合成活性のための新しい実験系はほぼ確立でき向上を実証までは至らなかった．

たが，上述の理由によりさらに研究を進めるには至らなかった．
気孔の水輸送にはそれと同時に塩類の輸送が必須であり，現在部分的にしか理解されていないアニオンチャネルに注目し，閉口して研究を進めた．
その結果リンゴ酸透過型アニオンチ
ャネルが極めて孔辺細胞に特異的に発現していることが本研究中に明らかとなり，この解析を精力的に行った．
その結果，新規の気孔閉口に関与するアニオンチャネルの性質を明らかにするに至った．
これまでの成果では CO2 との関連を詳細に検討するには至らなかったため，今後この点に注目して解析を継続し，CO2 吸収とこれらチャネルの関連をさらに明らかにしていく．
５．発表論文リスト
Sasaki, T., Mori, I.C., Furuichi, T.,

４．今後の課題と発展

Munemasa, S., Toyooka, K., Matsuoka,K., Murata, Y. and Yamamoto Y. (2010)

本研究では，アクアポリンの１遺伝

Closing plant stomata requires a homolog

子欠損により顕著な気孔運動の欠損ofが見られなかったことから，研究が難Transporter. Plant Cell Physiol. 51,航した．順次多重変異体を作成するた

354-365.

めには二−三ヶ月を要し，アクアポリンの解析は１年間では間に合わなか

anAluminum-Activatedmalate