植物で明るい未来を	

大学院生命農学研究科	
生物圏資源学専攻、循環資源学講座、生命共生学研究分野	
高倍鉄子	

農学部生化学制御研究施設との出会い	
（生物機能開発利用研究センターの前身）	

農学部共通アミノ酸分析器	
（1971）	
研究者、技術員、事務員	

最初の研究	
重い	
寒い	
手作り	
女性研究者はいない	

1978
生化学制御年報	

地球上で一番多いタンパク質Rubiscoとの出会い	
Ribulose	  bisphosphate	  carboxylase/oxygenase	  (C3)	

RuBP	
(C5)	

CO 2	

2×3-­‐PGA	O2	3-­‐PGA	  +	  P-­‐glycolate	
(C3)	

(C2)	

赤い光合成細菌との出会い	
• Chromatium vinosum：絶対嫌気性イオウ細菌	

20L-­‐30L ガラスビン	

テーマ	
ホウレンソウRubiscoはL8S8

偏性嫌気性紅色非イオウ細菌R. rubrum L2••••

Chromatium vinosum Rubiscoは？	
L8S8	  １）サブユニット構造？	
持つ	２）Oxygenase活性を持つのか？	
難題！	
３）小サブユニットの役割は？	
酵素の活性化、反応に対する貢献はあるのか？	
• ４）L, S 遺伝子は？	
染色体DNA上に並んでいる	1980-­‐81	  1997	  死海の藍藻の登場	

55,00012,000	

RuBP	  Carboxylase	

L8に対するSサブユニットの添加効果	

0	  	  	  	  	  	  	  	  	   0.1	  	  	  	  	  	  	  	   	  0.2	  	  	  	  	  	  	   	  	  0.3	  	  	  	   	  	  	  	  	  0.4	  	  	  	   	  	  	  	  	  0.5	S	  (μM)	

Lys-201	

Lys-201	

Lys-­‐175	  Lys-­‐334	  RuBisCOの活性部位とこれと直接的（Ｉ）あるいは間接的（ＩＩ）に相互作用するサブユニットＳ	塩ストレス耐性に関する研究	
分子レベルの研究が世界でも少なく、日本では絶対にやられていない研
究を！	

Salty Desert in Thailand (タイの塩砂漠）	

死海藍藻のRubisco

グリシンベタイン	
KCl

耐塩性機構	
1. 適合溶質(compatible solute)の蓄積	
塩ストレス	

2. 過剰なイオンの排出と隔離	
・細胞外への排出や液胞への隔離	・吸収の抑制	

3. 活性酸素種の消去	

グリシンベタイン（ベタイン）	

ベタイン	
CH3

＜ベタインの機能＞	
O-N+

1. 浸透圧調節	
2. 酵素や膜の保護	

H 3C

OCH3

3. DNAのTm値の低下	

ベタイン蓄積量と耐塩性 → 正の相関	Aphanothece halophyticaのベタイン合成経路の発見	
A	  Plants	  (Amaranthaceae)	
O2	  	  	  	  	  	  	  	  	  H2O	

2Fd(red)	  	  	  	  2Fd(ox)	

NAD+	  	  	  	  	  NADH	  +	  H+	  	CMO	

BADH	

コリン	

ベタインアルデヒド	

ベタイン	

B	  Aphanothece	  halophy-ca	

グリシン	

SAM	  	  	  	  	  	  SAH	  	SAM	  	  	  	  	  	  SAH	  	SAM	  	  	  	  	  SAH	  	ApGSMT	ApGSMT	

ApDMT	

サルコシン	

ジメチルグリシン	

ベタイン	

J.	  Biol.	  Chem.	  278:4932-­‐4942	  (2003)	  Proc.	  Natl.	  Acad.	  Sci.	  USA	  102:1318-­‐1323	  (2005)	

ベタインは淡水性ラン藻の耐塩性を向上する	

Reactivation (%)	酸変性によるRuBPカルボキシラーゼ活性の再活性化
50	40	30	20	10	0	

野生型+ ベタイン合成能付与 	

Plant Physiol. 1995	

11050 200 500	Glycinebetaine (mM)	

Plant Cell Physiol. 1998	

ベタインを蓄積したイネは耐塩性が向上する- ベタインアルデヒド	

+ ベタインアルデヒド	

150 mM NaCl
Plant J. 1997

オオムギの各器官におけるベタイン含量
Whole plant

Root

6cm

3cm
1cm0cm

古葉→

新葉

根	

若い器官に蓄積	

Plant Sci. 2009	

オオムギ各器官におけるプロリン含量、浸透圧
プロリン

古葉→新葉

一様に蓄積	

浸透圧

根	古葉→新葉根	

Plant Sci. 2009	植物におけるベタイン合成	
ヒユ科、イネ科	
CH3OH

CH3CMO	

O

N+
H 3C

CH3

BADH	

O-N+
O
CH3コリン	
(Cho)

H 3C

N+
H
CH3

ベタインアルデヒド	
(BA)

H 3C

O
CH3

ベタイン	
(GB)

Betaine Aldehyde Dehydrogenase
Choline Monooxygenase(CMO)	
(BADH)	

オオムギにおけるベタイン合成	
イネ科（オオムギ）	
コリン	

ベタインアルデヒド	

ベタイン	(Cho)

(BA)

(GB)

Barley	  (Hordeum	  vulgare	  L.)	  ベタイン蓄積量

BADH 活性(µmol/g FW)(nmol/min/mg protein)Days of salt stress
Plant Cell Physiol. 1990

オオムギBADHのベタインアルデヒドに対する親和性	

Activity (U/mg protein)

HvBADH1

HvBADH2

0.8

1.60.40.80001020

Betaine aldehyde (mM)

300100200300400

Betaine aldehyde (µM)

HvBADH2が主にベタインアルデヒド酸化	Physiol. Plant. 2008	

HvBADH2はサイトソルに局在する	
HvBADH2-GFP
融合タンパク質	

mRFP-SRL	

サイトソル	（ペルオキシソーム）	

merged	bar = 50 µm

HvCMOは小胞体に局在する	
sp-mRFP-HDEL

HvCMO-GFP
融合タンパク質	

ER	ER	

merged	リコンビナントHvCMOはコリンを酸化する	

Assayに[14C]choline
NADPH
BADH, NAD+を含む	

オオムギにおけるベタイン合成経路	

葉緑体
NADPH + H+NADP+コリン	
(Cho)

(ER)	

O2

2H2O

NAD+NADH + H+

ベタインアルデヒド	

ベタイン	(BA)(GB)

ベタイン合成の細胞内局在性	

NADPH +H+ NADP+	塩、乾燥ストレスによりBADHタンパク質は増加する	
葉	古葉根	新葉	Plant Sci. 2009
Plant Cell Physiol. 1992	

ベタイン合成酵素の組織内局在性	Control	  Control	  Salt	  Stress	  Salt	  Stress	  維管束組織	

内鞘	Plant Sci. 2009

オオムギにおけるベタイン輸送機構の解明	

オオムギ ベタイン輸送体タンパク質遺伝子の単離	HvGB/ProT1(H. vulgare glycine betaine/proline transporter 1)	

HvGB/ProT1タンパク質はベタインを輸送する	
縦軸：µmol/min/g FW 横軸：mM
11.20.8

Km = 0.15
Vmax = 1.30.400.5

Km = 1.1
Vmax = 1.0000.20.40.6012341.5

HvGB/ProT1

1

Km = 0.27
Vmax = 1.7

0.5
000.250.50.75

1↓
ベタインやプロリンに対して高親和性	HvGB/ProT1は細胞膜に局在する	
ＧＦＰ蛍光merged	GFP

GFP-HvGB/ProT1
融合タンパク質

bar = 50 µm

HvGB/ProT1 遺伝子の組織特異的発現（葉）	
対照区	

塩ストレス区	

bar = 50 µm

メストム鞘細胞において発現予想されるHvGB/ProT1の生理的役割	

維管束鞘細胞
葉肉細胞
ベタイン	

メストム鞘細胞プロリン	

ベタインやプロリンを維管側鞘側から	メストム鞘細胞内に取り込む	オオムギの耐塩性におけるベタインの役割	
葉 合成酵素 	

根 合成酵素	ベタイン	

葉 輸送体タンパク質 	

ベタイン → サイトソルで合成
若い器官の維管束組織	

プロリン特異的輸送体HvProTタンパク質は根冠細胞で発現する	

免疫前血清 	

非ストレス条件下	

塩ストレス下	Biochem Biophys Res Commun (2007)

HvProTを発現させたシロイヌナズナは使用するプロモーターの種類により異なる生長を示す	
野生株	

Planta (2008)

過剰発現株	

根冠特異的
野生株	 発現株	

耐塩性ラン藻Aphanothece halophytica dnaK遺伝子のクローニング	

dnaK	

grpE	

294 412	

dnaJ	

2577 2684	

ATP
加水分解
ドメイン	

250 bp	

基質認識 役割不明
ドメイン	 ドメイン	

高い配列類似性

相同性がない	＊ grpE, dnaK, dnaJが隣り合って存在する配列は、これまでBacillus subtilisのみで報告されており、光合成生物では初めてである	

DnaK形質転換タバコは耐暑性が向上する	
27℃

Control 株	

DnaK 株	

40℃ 	

DnaK形質転換体と野生型タバコの生殖期における高温の影響	

Plant Biotech. 2008	

DnaK形質転換イネは成長増加を示す	

Control

dnaK形質転換イネ	

Plant Biotech. 2008	

DnaK形質転換ポプラの生育と光合成活性	

Plant Growth Regul. 2008	

Wild type n=7, TTP1 n=6, TTP2 n=5

DnaK形質転換ポプラは耐熱性が向上する	

応用は２０〜３０年後	

WT

TTP1

TTP2

農学部の皆さまへ	
３９年間、ありがとうございました！	

有機農業・無農薬野菜	
こんにちは！