理科大ら,光で植物の気孔が開くしくみを解明

東京理科大学と山口大学は,植物のプロトンポンプが光によって活性化し,気孔を開口させるしくみを解明した(ニュースリリース)。

気孔は陸上植物の表皮にある孔であり,光に応答して開口し,光合成に必要な二酸化炭素(CO2)の吸収を促進する。細胞膜プロトンポンプ(H+-ATPase)は細胞内の水素イオン(H+)を細胞外へ汲み出す酵素であり,気孔開口の駆動力を形成する。しかし,プロトンポンプが光によって活性化するしくみについては,これまで解明されていなかった。

研究グループは,リン酸化プロテオームを用いて,孔辺細胞において青色光に応じてリン酸化修飾を受けるタンパク質を網羅的に解析した。その結果,プロトンポンプのC末端の自己阻害領域にある881番目のスレオニン(Thr-881)がThr-948とともに青色光に応答してリン酸化されることを見出した。

次に,シロイヌナズナのプロトンポンプ欠損変異体に,野生型のプロトンポンプとThr-881,Thr-948それぞれを非リン酸化状態にした変異型プロトンポンプを導入し,リン酸化の機能的意義を検証した。

その結果,野生型のプロトンポンプ導入では青色光によるH+放出と気孔開口の回復が見られたが,Thr-881とThr-948の非リン酸化体導入では回復が見られなかった。したがって,Thr-881とThr-948のリン酸化が青色光によるプロトンポンプの活性化と気孔開口に必須であることが示された。

さらに詳細な解析から,孔辺細胞では青色光に応じて,まずThr-948がリン酸化され,このリン酸化に引き続いてThr-881がリン酸化されることが分かった。Thr-881単独のリン酸化でもプロトンポンプは活性化するが,完全な活性化にはThr-881とThr-948の両方のリン酸化が必要であることが明らかになった。

さらに,Thr-881は青色光だけでなく孔辺細胞の光合成によってもリン酸化され,この光合成によるThr-881のリン酸化は気孔が光に応じて素早く開くために重要であることが明らかになった。以上の一連の研究を通して,青色光と光合成による細胞膜プロトンポンプの活性化のしくみが明らかになった。

研究グループは,このしくみを応用することで,プロトンポンプのはたらきや気孔の開閉を人為的に制御することが可能となり,CO2吸収力や成長を向上させた植物を開発できる可能性があるとしている。

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