针叶树の光合成颁翱?固定酵素の特性を解明

掲载日2025.01.30

概要

岩手大学农学部鈴木雄二教授、（国研）森林研究?整備機構森林総合研究所宮澤真一主任研究員、東北大学大学院農学研究科牧野周名誉教授らの研究グループは、ほとんどわかっていなかった针叶树の光合成CO?固定酵素Rubiscoの特性を明らかにしました。针叶树のRubiscoは、一般的な草本植物と比べ、酵素としての性能がやや低く、存在量も少ないものでした。

针叶树は陆上植物の进化の早い段阶で出现した植物であり、実用植物としても重要です。本研究の成果は、陆上植物の进化の観点からだけでなく、针叶树における光合成の生化学的特性の解明や光合成能力强化にとっても贵重な情报となります。

研究成果のポイント

本研究では、これまでにほとんどわかっていなかった、针叶树の搁耻产颈蝉肠辞の酵素としての性能と叶における存在量を明らかにした。
一般的な草本植物と比较すると、针叶树の搁耻产颈蝉肠辞の酵素としての性能はやや低く、その存在量も少なかった。
本研究の成果は、陆上植物の进化だけでなく、针叶树における光合成研究や光合成能力强化の観点からも贵重な情报となる。

背景

针叶树は陆上植物の进化の过程において早い段阶で出现した植物ですが、现在も地球上に広く分布し、寒冷地などでは优占种となっています。また、针叶树は生育が早く、木材として多く利用されるなど、実用植物として重要です。

植物は光合成を行い、大気中の颁翱?を同化して生育します。光合成の能力を决定する因子のひとつが、颁翱?固定反応を担う酵素搁耻产颈蝉肠辞です。搁耻产颈蝉肠辞は叶において最も多量に存在するタンパク质です。タンパク质をつくるためには窒素が必要で、叶において多くの窒素が搁耻产颈蝉肠辞に使われています。そのため、搁耻产颈蝉肠辞は植物とって最も不足しやすい窒素栄养の体内利用にも関连します。

これらの重要性から、搁耻产颈蝉肠辞の酵素としての性能や、叶に含まれる全窒素のうち搁耻产颈蝉肠辞に使われている割合（存在量）に関する研究が、これまでに数多く行われてきました。しかし、针叶树については、その生物学上の特异性や产业上の重要性にもかかわらず、研究例はほとんどありませんでした。

研究内容

そこで本研究では、针叶树の搁耻产颈蝉肠辞について、その酵素としての性能と存在量を明らかにすることとしました。针叶树で搁耻产颈蝉肠辞の特性がほとんど调べられていなかった主な原因は、叶に含まれる妨害物质です。铃木教授らのグループは、シダ植物で同様な问题を解决するための方法をこれまでに确立していますが、この方法が针叶树にも适用できました。

そして、ヒマラヤスギ、ドイツトウヒ、イチイ、アカマツ、ゴヨウマツを材料に解析を行いました。これらの针叶树の搁耻产颈蝉肠辞を一般的な草本植物（対照植物：イネ、コムギ、ホウレンソウ）の搁耻产颈蝉肠辞と比较すると、颁翱?固定反応の最大速度は同程度である一方で、颁翱?固定反応のしやすさ（基质亲和性）はやや低いことが明らかになりました。また、搁耻产颈蝉肠辞の存在量を调べたところ、针叶树では一般的な草本植物と比べ少なくなっていました。

研究成果

以上の结果から、针叶树の搁耻产颈蝉肠辞は一般的な草本植物の搁耻产颈蝉肠辞と比べ、酵素としての性能がやや低く、存在量も少ないことが明らかとなりました。この成果は、针叶树の搁耻产颈蝉肠辞に関する、数少ない贵重な知见となりました。

针叶树の搁耻产颈蝉肠辞がこのような特性をもっている理由として、次のようなことが考えられます。ひとつは、现存する针叶树の祖先が出现した时代では、大気中の颁翱?浓度が现在よりもはるかに高く、搁耻产颈蝉肠辞の基质亲和性が高いことも、搁耻产颈蝉肠辞が多量に存在することも必要なかったためなのかも知れません。また、搁耻产颈蝉肠辞が少ない分だけ、窒素は细胞壁の合成に利用されるなど、叶を机械的に强くするために利用されたとも考えられます。

针叶树は现在でも寒冷地などで优占种となっています。その理由のひとつとして、低温では颁翱?が水に溶けやすく、基质亲和性が低いという针叶树搁耻产颈蝉肠辞の弱点が缓和されることが考えられます。また、宫泽主任研究员らのグループは、光合成の副反応である光呼吸という代谢において、针叶树では一般的な植物よりも颁翱?を多く発生することを解明しています。このことも针叶树の搁耻产颈蝉肠辞の弱点を补っているものと考えられます。

今后の展开

针叶树の光合成の生化学特性については、多くのことがまだわかっていません。その解明だけでなく、针叶树の光合成能力强化のためにも、本研究の结果は大きく贡献できると期待されます。また、搁耻产颈蝉肠辞の特性が调べられていない植物种は膨大に残されています。今回の成果に加え、さらに広范な植物种においてデータを収集することで、搁耻产颈蝉肠辞の进化の解明に大きく贡献できると期待されます。

掲载论文

題　目：Enzymatic and quantitative properties of Rubisco in some conifers and lycopods
著　者：Sakiko Sugawara?, Kana Ito?, Shin-Ichi Miyazawa?, Amane Makino?,?, Yuji Suzuki?
? 岩手大学大学院総合科学研究科、? 森林総合研究所樹木分子遺伝研究領域、? 東北大学大学院農学研究科、? 東北大学高度教養教育?学生支援機構、? 岩手大学农学部
誌　名：Journal of Plant Research
公表日：2024年12月（オンライン）

用语解説

针叶树
木本の裸子植物で針状の葉を有する。石炭紀に出現し、ジュラ紀の初期から中期にかけて多様化し、現存する针叶树の祖先が出現したと見積もられている。丸太や製材では世界生産量の半分以上を占める。
Rubisco
酵素ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenaseの略称。植物細胞内の細胞小器官であり、光合成の場である葉緑体に存在し、光合成CO?同化の初発反応となるCO?固定反応を行うだけでなく、副反応として光呼吸の初発反応も行う。地上で最も多量に存在するタンパク質としても知られる。
搁耻产颈蝉肠辞の颁翱?固定反応
炭素数5の有机化合物と无机化合物である颁翱?が反応し、炭素数3の有机化合物が2分子生成される。
光呼吸
RubiscoはCO?だけではなく空気中の酸素とも反応する性質がある。酸素と反応すると、炭素数が3と2の有機化合物が1分子ずつ生成され、このうち炭素数2の有機化合物は、光呼吸という複雑な代謝経路を経て炭素数3の有機化合物に変換される。この過程でATP（アデノシン三リン酸）や還元力などのエネルギーが消費され、CO?が発生する。発生したCO?の一部は搁耻产颈蝉肠辞の颁翱?固定反応に利用される。

本研究は、以下の研究事业の成果の一部として得られました。
?文部科学省科学研究费补助金?挑戦的研究（萌芽）「方法的限界の打破から挑む、かつてない多様な植物种からの优れた搁耻产颈蝉肠辞の発掘」研究代表者：铃木雄二
?文部科学省科学研究費補助金?基盤研究（Ｂ）「针叶树の炭素固定量予測モデルの精緻化に向けた光呼吸代謝の解明」研究代表者：宮澤真一

本件に関する问い合わせ先

农学部応用生物化学科（改組後：食料農学科農学コース）
教授　铃木雄二（植物栄养生理学研究室）
ysuzuki@iwate-u.ac.jp
019-621-6153

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