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大気CO_2濃度の増加がエゾノキヌヤナギの生理特性に与える影響(会員研究発表論文)

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(1)

The Boreal Forest Society

NII-Electronic Library Service

The  Boreal  Forest  SOCIety

日林 北支論 59 Feb

2011

大気

C

濃度

加 が

ヌ ヤ

ナ ギ

生 理 特

え る

影響

所  

支   タ 朧 輙

    学 合 聡 蜥 駄 森 林 埼

北岡 哲 ・

飛田

木 玄 丸 山 温 宮

敦子

博 文       は じめに  ヤ ナギ属 (

Saiix

)の樹 木は北 半 球の暖 帯か ら寒帯に か け て広 く分 布 する15

遷移 初 期の樹 木で成 長 速 度 が 速 く

挿 し木で も 簡単に増殖 す る とい う特 長 を 持 ち

さ ら に 再 生能力 が 高 く

収穫後 も容 易に萌 芽 する(8

15

こ の よ う な 性 質 か らバイ オ燃 料 資源 とし ての利 用 を目的に した ヤ ナ ギの 育 種 や 栽 培 実 験が行 わ れて いる(5)

 産 業 革 命以降

CO2濃 度が急 激な速 度で増加 してい る (3)

地 史 学 的 視 点か ら みて も

現 代のCO2加速 度は植 物 が 未 だ 経 験 し たことの ないほ ど 急 激で あ る(2)

CO2は 光合 成の 基 質で あ る た め

その増 加は植 物の分子か ら個 体レ ベ ル の成 長反応にまで

直 接 的にも間 接 的にも様々 な影 響 を与え る(2

7

10)

こ の こ と が植物

特 に多年 生 植 物で ある樹 木のCO2増加 に 対 す る 反 応 の解明 を難 解 な ものに してい る

 こ のた めCO2 濃 度の増加に対する ヤ ナ ギ属 樹木の応 答 を 明 らか にしつ つ

将来の高CO2濃 度に適 した育種 選 抜 を 行 うこ とは

将 来 持 続 的にバイ オ燃 料 資源 を 供 給 す る

ための重 要 な 課 題であ る

Karp and  Shield(5)はバイ オ燃 料 資源となる植 物の代 謝生 理 や 遺 伝 的 特 性 を 明 ら か にす ること が

将 来の バ イ オ 燃 料の増産 と その持 続 的 な 利 用 に とっ て有 用 な 基礎 情報 を 提供 する と述べ て い る

そこ で本 件 研 究は

北 海道でバイ オ燃料資 源 とし ての 利 用 が 期 待されてい るエ ゾノキヌ ヤ ナギを用い て

高CO2 下に お ける葉の光合 成 特 性と代 謝の解 析 を行っ た

      材 料と方 法  2010年4月 下旬に挿し穂を鹿沼 土 :玉土 1:1の割 合 で混 合したビニ ル ポッ ト (直 径 21cm) に 植 え 付 け た

植 え 付 け た 苗 は 森 林 総 合 研 究 所 北海 道 支所の 自然 光人工気 象 室 (気 温 昼 25

°

C1 夜 16℃で育 成した

 CO2濃度 は 370ppm 対 照 )

720ppm 高CO2)の 2 条件 と した

施肥 は Kitao et al

(6)を 参 考 に して

極端 な養 分不 足 にな ら ない ように 与 えた

250mgN 相 当の窒素を 固 形肥料で与 え

残 りの 500mgN は液肥で週 1回 50mgN つつ 10週 間 与 え た

 7 月 下旬に先端 よ り7

8枚目の成 熟し た葉 を対 象に二 酸化 炭 素

光合 成 関 係 の 測 定を行 っ た

測 定は

LI

6400Li

cor 社 米 国)を 用 い

測 定手

II

匱は Long and

Bernacehi(9)に従っ た

最 大Rubisco活 性 (V。max と最大

電 子伝 達 速 度 (

Jmax

)(1)は Onoda et al

を参 考に算出 し た

 

光合 成 速 度 を 測 定 した葉か ら】cm2 のディス クを5枚打 ち 抜 き

80

°

Cで 48 時 間 乾 燥させ

窒素 含 有量 と 可 溶 性糖

デンプン の分 析に 供 し た。 窒 素含有量の分 析は全自

動 元 素 分 析装置 vario MAX Elementar Analysensysteme

GmbH

独 国)を 用い た

可溶 性 糖 類

デンプン の分析 は フ ェ ノ

ル スル ホ ン酸 法 (4

12)を 用いて行っ た

葉の代 謝 産 物はMiyagi et al

(〃)に 従い

キャ ピラ リ

電気 泳 動 / 質量分析法システム (Agilent Technolegies社,独 国 ) を 用いて 定 量 し た。統 計 解 析はスチュ

t検 定 を 用 高CO2 処理 の効 果の有無 を検定した

             結果と考 察 1葉の生 理 特 性:高CO2処 理 に よっ て

生 育CO2 濃 度にお け る光飽 和の光 合 成 速 度 (Psatの有 意 な低 下が見られた (表

1

こ の現 象は光 合 成 活 性 を示すVcmax

 Jmaxに お い て も みられ (表

1)

光 合 成の制 御 現2

7

10が 生 じた と考 え ら れ た

葉の 窒 素 量 は 高CO2 処 理 によっ て有 意 に 減 少 し た (表

1

。一

可溶性糖 濃 度お よ びデンプ ン濃 度は高CO2処理で有 意に増加 した

1)

可溶 性 糖 類 の増 加は光 合 成 系の酵 素 やタン パ ク質を減少 させ る とい われてい る(16

17)

こ のた め 可溶 性 糖 類の増加 は光 合 成 の負の制 御 現 象 や窒素量の 低 下を 生 じ た

因 で あ る と推 察 される

 

2)代 謝 特 性:高COz 処 理に よっ て ア ミ ノ酸 (Arg

 Asp

Asn

 Glnの 減 少 傾 向が見ら れ た

D

ま た ミ トコ ン ド リア のTCA 回 路 に 関 わ る 有 機 酸(

Citrate

 

Iso

。itrate

 Malate

Aconitate

 Pruvinate

糖リン酸系(DHAP , 3PGA , FBP

 6PG

RuBP )の減少 が 見られた(図

1)

これ らの傾 向は

ヤ ナ ギ と同じ よ うに再生能力 が 強い多年 生 草 本 植 物ゾ ノ シギシの代 謝 解析 結果と

致 す る1ノ

 可溶 性 糖 類とデンプンが光 合 成に与 える影 響は異 なる と言わ れてい る (1の

可溶 性 糖 類の蓄 積はシグ ナル とな っ て 遺 伝 子 等 に働きかけ

光 合 成 系のタン パ ク質 等の減 少 を招 くため/6

i7

代 謝 解 析でみ られ た カル ビンサ イ クル の リン 酸 (RuBP や 3PGA

 FBP の 減少や

光 合 成速 度の低 下

最 大Rubisco 活性の低下 と関係が あると考え ら れ る

デンプン の蓄 積は葉緑 体 内 に お け るCO2 の拡 散 を 阻 害 するこ と で

間接 的に 光合 成に影 響 与 えると言 わ れ て い るfO。 今後 デン プン の 蓄積が ヤ ナギの光 合 成に与 え る影 響につ いて さ ら に 明 ら か に してい く必要がある

 3)お わ りに:本 研究の結果か ら

高CO2下 で は生育CO2 濃 度下にお け る個 葉 光 合 成速度や

光合 成 活 性

窒 素 量 の低下 が 見 られる こと が わ かっ た

ま た糖 類(可溶 性 糖 類 お よ びデンプンが蓄 積し

代 謝 物で は

光 合 成に関わ る 糖 リン酸 系 とミトコ ン ドリア のエ ル ギ

生 産 に関わ る Satoshi KITAOKA

 Akira UEMURA

 Hiroyuki TOBITA

 Hajime UTSUGI Hokkaido Branch Center

 FFPRI

 

Sapporo

O62

8516

 Yutaka MARUYAMA Forestry Agency

 Tokyo lOO

8950)

 Atsuko MIYAGI

 Hirofumi UCHIMIYA (Institute 

for

Environrnental Science and  Technology

 Saitama Univ

 Saitama 338

8570

Leafphotosynthetic and  metabolornic  responses  ofwillow (

SaliX

 pet

susu  Kimura)to elevated  CO2 concentration

53

(2)

The Boreal Forest Society

NII-Electronic Library Service

The  Boreal  Forest  Society

日林北 支 論59

Feb

2011 TCA 回路で低下 が 見られ るこ と が わ かっ た

今後の課 題 と してクロ

ン間に おける 生 理特 性 や 糖 類 蓄積の違い の 有 無 を 明 らかに してい く 必要が ある と考える

特に光 合 成に負の影 響 を あた える 糖 類蓄 積の評価は 重要であるた め

迅 速 な測定 方法の開発につ いても 取 り組 ん でい き た い と考える

謝 辞:本 研究は 生 研セ ンタ

のイノベ

シ ョ ン創 出 基 礎 的 研 究 推 進 事 業と

NEDO

プロ ジェ ク トの支援を受け た

      引用文 献

(」 Farquhar GD

 von  Caemmerer S

 and Berry JA

1980A

   biochemical model  of photosynthetic CO2 assimilation

    in leaves ofC3  species

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 CO2 and    photosynthesis in the 21st  century

 

Chem.

  Biol

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御 IPCC 2007 Forth assessment  report

(4p Kabeya D

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2003The RQIe of Roots and    Cotyledons as Storage Organs in Early Stages of

   Establishment in 

guercus

  cris ρula; a 

Quantitat

正ve

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 Ann

 Bot

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yphylla

 var

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 Phys孟ol

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 J

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(〃丿Miyagi A

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 Takahara K

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   Nishimura  Y

 Tezuka  T

 Kawai

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 and    Uch血iya H

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   destructive weeds

polygonaceous

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in

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ygonum

 cuspidatum

 J

   Exp

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   significance  fbr carbon  flow in photosynthetic cells

    Plant Cell Environ

14;741

762

1 エ ノ キヌヤ ナ ギの 合成特 性 と 窒素 含 有量

デンプン

可溶性糖 濃 度

        370ppm[CO2]  720ppm CO2 t

test Psat (μmolm

2S

1) N (gm

2 ) Vcmax (pmol rn

ZS

i Jmax (Fmol m

IS

1 デンプン濃 度 (w !w % 可溶性糖 濃度 (w 〜w %) 19

19(L11) 1

18(0

Ol) 66

32(6

33) 9642 6

48 2

06(0

99) 14

59(0

75) 15

47(0

67) P< 

Ol

0.

84

0,

03

)   Pく0

01 35

89(9

41) P<0

05 76

48 6

91)  Pく0

05 9

76 0

42  P〈 

Ol 17

32(1

18) Pく0

05       i

  

   

l

   

t.

t.

ttt

tt  

i

       

i

  

    

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i

  

    

i

  

  

_

i

       

ii

  

 

 

 

 

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ii

  

   

ii

  

   

li

  

   野

 

   

i

葺     

l

   

_.

  l      

il

i

有 機酸

  

  

钁 ア ミノ酸     t

tt

1     

tl

CTt

1エ ゾ ノ キヌヤ ナ ギの代 謝 産 物解析の ヒ

トマ

一54 一

N工 工

Electronic  Library  

表 一 1 エ ゾ ノ キ ヌ ヤ ナ ギ の 葉 の 光 合 成 特 性 と 窒 素 含 有 量 ,

参照

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