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根の葉緑体を作るのに窒素同化鍵酵素が重要であることを発見 ~イネグルタミン合成酵素アイソザイムの巧妙な使い分けを明らかに~

2020/02/17

筑波大学生命環境系の草野都教授(理化学研究所環境資源科学研究センター客員主管研究員)、東北大学の山谷知行名誉教授、理化学研究所環境資源科学研究センターの福島敦史研究員、国際農林水産業研究センターの圓山恭之進主任研究員、岐阜大学の山本義治教授らの研究グループは、イネの窒素同化に不可欠な細胞質局在型グルタミン合成酵素(OsGS1)のアイソザイムであるOsGS1;1が、光合成を行わない根の葉緑体形成に大きく関わることを明らかにしました。窒素は肥料の三大必須栄養素の一つで、植物の生存に不可欠な葉緑素やアミノ酸等の材料となります。植物体内に取り込まれた窒素はアンモニウムに変換された後、グルタミン合成酵素(GS)によりアミノ酸の一種であるグルタミンを作ります。植物は細胞質局在型GS1をコードする遺伝子を複数個持っていますが、植物が多数のGS1アイソザイムを持つ理由は明らかにされていませんでした。
本研究では、食糧として重要な作物であるイネのGS1アイソザイムの中で、窒素肥料を与える時期として効果的な生育初期段階で発現するOsGS1;1およびOsGS1;2に着目しました。それぞれの遺伝子を破壊した変異型イネを解析した結果、Osgs1;1変異体の根では中心代謝に属する糖類やアミノ酸類の蓄積バランスが崩れるのに対し、Osgs1;2変異体ではアミノ酸類の量のみが減少することが分かりました。さらに、Osgs1;1変異体では、光合成を行わない根の部分に葉緑体が形成されることを明らかにしました。OsGS1;1は炭素?窒素代謝の恒常性や葉緑体形成など広範な現象に関わり、Osgs1;2は代謝中のアミノ酸生合成制御に特に関わっていることになります。

(図 透過型電子顕微鏡によるOsgs1;1 変異体(NCおよびND)、Osgs1;2変異体および野生型(WT)根の切片観察結果。Osgs1;1変異体(NC、ND)は光合成を行わない根に葉緑体が形成されている(黄色矢印)。WTおよびGS1のアイソザイムであるOsgs1;2の根では葉緑体形成は見られなかった。)

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