クイルワートの光合成の秘密は作物の効率を高める可能性がある

クイルワートの光合成の秘密は作物の効率を高める可能性がある

研究者は、水生植物が水中で二酸化炭素を獲得するために光合成をどのように調節しているかを調査しています。

【ラホヤ】地味な羽根植物は、約 250 種の小さな水生植物からなる古代のグループですが、現代の植物学者にはほとんど無視されてきました。 現在、ソーク州の科学者は、ボイス・トンプソン研究所の研究者らと協力して、クイルワートの最初のゲノムを解読し、この植物の独特な光合成方法の秘密をいくつか明らかにした。その秘密は、最終的には、より効率的な水の利用と二酸化炭素の回収による作物の工学技術につながる可能性がある。気候変動に対処するために。 調査結果は、 ネイチャー·コミュニケーションズ 11月の3、2021。

「植物は、環境から炭素などの資源を抽出するための新しい戦略を開発することに本当に驚かされます」と共催著者は言う トッド・マイケル、植物分子細胞生物学研究室の研究教授。 「この創意工夫をさまざまなユニークな植物に活用することで、 イソエテス 私たちは、より多くの炭素を排出できるように未来の植物を設計するためのツールボックスを開発中です。」

ほとんどの植物は二酸化炭素（CO）を呼吸します。₂) 日中は太陽光を利用してガスを糖に変えます。 しかし、乾燥地域の植物は二酸化炭素を吸い込むように進化しました。₂ 代わりに夜に。 CAM 光合成と呼ばれるこの戦略は、植物が日中の水分損失を避けるのに役立ちます。

XNUMX年前、クイルワート属の植物 イソエテス-CAM光合成を利用することが発見された最初の水生植物のグループとなった。 日中の水分損失は、水生植物にとって明らかに問題ではありません。 代わりに、クイルワートは CAM を使用して CO を収集します₂ 日中にガスの水位を枯渇させる他の水生植物や藻類などの生物との競合を避けるために、水に溶かして一晩保管します。

「水生植物としては、 イソエテス 乾燥した生息地の陸生植物とは根本的に異なる環境でCAM光合成を進化させた」と共同連絡著者は述べている フェイウェイリー、ボイス・トンプソン研究所の助教授、コーネル大学の非常勤助教授。

羽根植物のCAM光合成プロセスを制御する遺伝的メカニズムを調査するために、研究チームは羽根植物種のゲノムを組み立てた。 イソエテス タイワネンシス。 研究チームはゲノムを使用してCAM経路遺伝子を特定し、それらの活動パターン（科学者が遺伝子発現と呼ぶもの）を、昼夜サイクルを通じてそれらのパターンがどのように変化するかなどを調べた。 クイルワートと陸生植物の CAM の注目すべき違いの XNUMX つは、酵素ホスホエノールピルビン酸カルボキシラーゼ (PEPC) の機能にあります。 すべての植物は XNUMX つのタイプの PEPC を持っています。XNUMX つは植物タイプで、光合成における重要な役割が古くから知られています。 もう XNUMX つは細菌型で、細菌に含まれる PEPC に似ています。

「他のすべての植物では、細菌型PEPCは光合成ではなく、さまざまな代謝プロセスで役割を果たしています」と、リー博士の研究室の大学院生であり、この研究の筆頭著者であるデビッド・ウィッケル氏は述べた。 "の イソエテス、両方のタイプがCAMに関与しているようですが、これは他の植物では発見されておらず、水生CAMにおける細菌型PEPCの明確な役割を示しています。」

植物には、生物学的プロセスが正しい時間に起こることを保証する概日時計と呼ばれる内部タイミング機構があります。 以前の研究で、マイケル研究室は、ほぼすべての遺伝子発現が概日時計によって制御されており、このメカニズムがテストされたすべての植物で共有されていることを示しました。 イソエテス 植物は、いくつかのタイミング調節因子の発現レベルが XNUMX 日の異なる時間にピークに達する独自の概日システムを備えたこれまでの最初の植物です。 この発見は、植物が炭素を捕捉するために利用する新しいメカニズムについて重要な洞察を提供します。

その結果は、環境ストレスにさらに耐えられるように作物を操作するために使用できる可能性があります。 ウィッケル教授は、このアイデアは興味深いが、鍵となるのは、植物が水を節約したり利用可能な二酸化炭素をより効率的に利用できるように、CAMの構成要素を調節する概日時計遺伝子を操作することだろうという。₂.

他の著者には、ソークのノーラン・T・ハートウィックが含まれます。 台湾の国立清華大学のLi-Yaung Kuo氏。 ボイス・トンプソン研究所のシャオ・ペイ・ヤン氏。 ドイツのゲッティンゲン大学のアムラ・ダバリア・アショーク、イケル・イリサッリ、アルミン・ダドラス、ソフィー・デ・フリース、ヤン・デ・フリース。 台湾林業研究所のYao-Moan Huang氏。 テキサス大学オースティン校のZheng Li氏。 とアリゾナ大学のマイケル・S・バーカー氏。

この研究は、ボイス・トンプソン研究所、欧州研究評議会（ERC）、ゲノム科学国際マックス・プランク研究学校（IMPRS）から資金提供を受けました。

のご厚意により掲載しました ボイストンプソンインスティテュート.

ボイス・トンプソン研究所について:
1924 年に設立されたボイス トンプソン研究所は、ニューヨーク州イサカにある一流の生命科学研究機関です。 BTI の科学者は、食糧安全保障の向上、農業における環境の持続可能性の向上、人間の健康を増進する基礎的な発見を目的として、植物および生命科学の基礎研究の調査を行っています。 この取り組みを通じて、BTI は学生にインスピレーションを与えて教育し、次世代の科学者に高度なトレーニングを提供することに尽力しています。 BTI は、コーネル大学とも提携している独立した非営利研究機関です。 詳細については、こちらをご覧ください。 BTIscience.org.

DOI： 10.1038/s41467-021-26644-7