ユーカリ葉における CO2 同化酵素ルビスコの量的制御機構の解析
Analysis of Molecular Mechanism that Regulates the Amount of
Carbon-Fixing Enzyme “Rubisco” in a Leaf of Eucalyptus Plant
鈴木雄二

東北大学大学院農学研究科
Yuji SUZUKI

助教

Assistant Professor, Graduate School of Agricultural Science, Tohoku University
研究の研究の大要
植物葉の光合成能力は、葉緑体に存在する光合成炭酸同化酵素の量により決定される。木本植物の葉の光合成能力を強化することで大気中の CO2 削減の効率化を図る際には、葉の光合成炭酸同化酵素の量を分子生物学的な手法を用いて最適化するという手段が有効であると期待される。これを行うためには、生体内で光合成炭酸同化酵素の量を制御する機構が解明されていなければならないが、木本植物においては全くわかっていない。そこで本研究では、有用な木本植物であるユーカリを材料とし、葉が出葉してから成熟し、その後老化し枯死するまでの一生の間において光合成炭酸同化酵素の量がどのように制御されているのかを、その生合成に関与する分子機構のレベルから明らかにすることを目的とする。本研究の結果から、光合成炭酸同化酵素の量の最適化を図る際に必須となる基礎的な知見を得ることができる。
Abstract
Chloroplastic enzyme “Rubisco” plays a central role as a key enzyme for carbon
fixation in photosynthesis. It is supposed that optimization of Rubisco content iseffective for an enhancement of photosynthesis in tree leaves. However, mechanismsthat regulate Rubisco content are still unclear in trees. To clarify this point, changes inbiosynthesis of Rubisco will be studied during a lifetime of Eucalyptus leaves.

1. 研究目的

1353-1360, 2001)。しかし、木本植物に植物葉の光合成能力は、葉緑体に局在 し CO2 同 化 反 応 を 行 う 酵 素
ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/

おいてはこれらのことが全くわかっていない。

oxygenase (ルビスコ; EC 4.1.1.39) のであるユーカリを材料とし、葉が出葉量により決定される。木本植物の葉のしてから成熟し、その後老化し枯死す

光合成能力を強化することで大気中の CO2 削減の効率化を図る際には、葉るまでの一生の間においてルビスコ量がどのように制御されているのかのルビスコ量を分子生物学的な手法を、ルビスコタンパク質の生合成に関を用いて最適化するという手段が有与する分子機構のレベルから明らか効であると期待される。これを行うたにすることを目的とする。本研究を行めには、生体内でルビスコ量を制御する機構が解明されていなければならうことで、木本植物の光合成能力を強化する際に必須となる基礎的な情報ない。草本植物においては、ルビスコを提供する、という寄与ができる。具の量的制御に関わる研究は多く行わ

体的には、以下の解析を行う。ルビス

れてきている。例えば、イネやダイズにおいては、葉の一生におけるルビスコの生合成速度を、植物体を重窒素でラベルした際のルビスコへの重窒素コの量的変動がルビスコタンパク質の取り込み量から測定する。ルビスコの生合成と分解によりどのように説の生合成速度と密接な関係にある葉明されるかが明らかにされている(Mae et al. Plant Cell Physiol 24,への窒素流入速度を、葉への重窒素のそこで本研究では、有用な木本植物

1079-1086, 1983; 戸内ら, 土肥誌 59,取り込み量から測定する。また、ルビスコの遺伝子である RBCS および rbcL573-578, 1988)。両植物種において、ルの mRNA 量を定量する。

ビスコの生合成は葉の展開の過程において活発であり、ルビスコ量の増加

2. 研究経過の主要因となる。その一方で、完全展開した成熟葉ではルビスコの生合成

ユーカリ・グロブラス (Eucalyptus
globulus globulus) をガラス温室内では著しく低下し、これに代わってルビ水耕法にて栽培した。栽培中には腋芽

スコの分解が活発となり、葉の老化にを全て取り除き植物体の分枝を防ぐ伴うルビスコ量の低下の主要因となことで、葉齢の違いを葉位により容易る。また、イネ葉の一生においてルビスコの生合成は遺伝子発現により制に判別できるようにした。播種後 4.5ヶ月後に、重窒素でラベルした硫安を御されていることが、ルビスコの生合含む水耕液を与え、3 日後に葉位別に成速度と mRNA 量の変動がおおむね葉をサンプリングした。このときの樹一致することから示唆されている(Suzuki et al. Plant Cell Environ 24,

高および節数はそれぞれ 159 ± 7 cm お
よび 28 ± 2 (平均 ± 標準誤差、n = 3)であった。上位葉の中で大きさが完全このキエルダール分解液に含まれる展開葉の約半分となった葉、および、下位葉の中で大きさが完全展開葉と重窒素含量を測定することで行った。

同等であった最下位の葉を、それぞれ3. 研究成果

解析に用いる最上位葉と最下位葉と葉の単位新鮮重当たりのルビスコ

し、実際には上位 6 葉、中位 3 葉、下量は葉の展開に伴いやや増加し、最上位 3 葉を用いた。最上位完全展開葉は第 3 葉であった。

位完全展開葉でほぼ最大に達した後、中位葉までは維持されていたが、下位葉のルビスコ定量は、葉の磨砕液を葉ではやや減少する傾向にあった

SDS-PAGE に供した後クーマシー染色(図 1a)。一方で、ルビスコの生合成速を行い、ルビスコのバンド強度を測定

度は最上位葉で最大となり、葉位の低することで行った。ルビスコの生合成速度の測定は、葉の磨砕液を下に伴い速やかに低下した (図 1b)。
最上位葉と比べ、最上位完全展開葉でSDS-PAGE に供した後 Zn を用いたネは 58%、第 6 葉では 8%、中位葉ではガティブ染色を行い、ルビスコのバン5%程度、下位葉では 2%程度であった。

ドからタンパク質を回収し、重窒素アナライザー (N-151, 日本分光) でそ

全窒素量は全ての葉位においてほぼ一定であったが、最上位葉で最も高く、の重窒素含量を測定することで行っ葉位の低下に伴いわずかに低下するた。葉の全窒素量は、葉の磨砕液をキ傾向にあった (図 1c)。葉への窒素流

エルダール分解後ネスラー法にて測入速度は、ルビスコの生合成速度と同定した。葉への窒素流入速度の測定は、 様な変動を示した (図 1d)。両者の関図 1. 異なる葉位のユーカリ・グロブラス葉におけるルビスコ量 (a)、その生合成速度 (b)、全窒素量 (c) および窒素流入速度 (d)。データは平均 ± 標準誤差 (n = 3)。同じアルファベッ
ト間には有意差がない (Tukey 法、P < 0.05)。

係を調べたところ、ほぼ原点を通る 1

4. 今後の今後の課題と課題と発展本の直線に回帰され、きわめて高い正の相関関係にあることが分かった

ルビスコの mRNA 量については、当初はノーザンブロット法にて測定(図 2)。以上のことから、ユーカリ・する予定であったが、multigene family

グロブラスにおいて、ルビスコの生合を形成していると強く予想されるル

成は展開中の若い葉で活発であり、葉ビスコ小サブユニット RBCS 遺伝子に面積の拡大に伴うルビスコ量の増加の主要因となる一方で、葉の成熟後に関する情報が、ユーカリにおいては全く分かっていないため、その全分子種は著しく低くなり、ルビスコ量の維持の塩基配列を決定したうえで、にはほとんど貢献しておらず、むしろ

RT-qPCR 法にて定量することとした。

ルビスコタンパク質の安定性の高さ

現在は、total RNA の抽出を終え、RBCSがその主要因であることが強く示唆された。葉の老化に伴いみられたルビの塩基配列の決定を行っているところである。木本植物において RBCS 遺スコ量の減少の原因は、ルビスコタン伝子の分子種の構成と発現を調べたパク質の分解であると予想される。ま

例は皆無であり、ここで得られる結果た、葉への窒素流入速度がルビスコの生合成速度を支配する因子であるこはきわめて貴重なものとなる。これを行うことで、ルビスコ量の最適化によとが強く示唆された。これらの特徴は、 る葉の光合成能力の強化を、より緻密な制御をもって試みることができる
イネやダイズでみられたものと基本的には同様であり、ルビスコ量を制御ようになる。なお、申請者はユーカリするメカニズムは木本・草本の違いによらず共通していると考えられる。の遺伝子組換えに関するノウハウを現時点では持っていないので、国内外でこれが可能なグループと共同研究を行うことが望ましい。
5. 発表論文
発表論文リスト
論文リスト（リスト（印刷中も印刷中も含む）
なし

図 2. 異なる葉位のユーカリ・グロブラス
葉におけるルビスコ生合成速度と窒素流入速度との間の関係。