作物生産性の生理生化学, 栄養生理学 : 窒素を中心に

全文

(1)「作物生産性の生理生化学、栄養生理学」－窒素を中心に－. 東北大学大学院・農学研究科植物栄養生理学分野前忠彦.

(2) 博士浪人時代・オランダ植物生理中央研究所：アイリスの寡少光条件下で枯死花が生じる生理・生化学的背景の解明・米国イリノイ大学農学部：トウモロコシ葉におけるタンパク質代謝考えたこと・欧米の後追いにならない個性ある研究をしよう・イネを中心に研究を展開しようー個別研究から一般則の発見をめざすー（浮世絵、歌舞伎、盆栽・・・欧米にはないもの）. ・宮城県農業センター：水田におけるイネの生育と窒素栄養.

(3) 東北大学農学部「イネを中心とした作物の生産性に関わる生理生化学、栄養生理学－窒素を中心にー」なぜ窒素を中心に？・・・研究体験から. 窒素は植物生育を最も大きく支配.

(4) 講義概要・イネにおける窒素の体内利用－１５Nを用いた解析－・窒素と光合成、Rubisco ・Rubiscoのターンオーバー、生合成の分子基盤・葉の老化と窒素転流、Ｒｕｂｉｓｃｏの分解機構・イネの生産性の向上に向けて.

(5) 「イネにおける窒素の体内利用と動態」－１５N を用いた定量的解析－.

(6) 葉の形成への吸収窒素と転流窒素の貢献度は？新葉. 転流窒素. 吸収窒素. １５N. １４N.

(7) 新葉の窒素の由来（Mae & Ohira, 1981）. 新葉普通栽培条件下での貢献度. 転流窒素転流窒素吸収窒素. 吸収窒素.

(8) 窒素供給レベルと吸収窒素、転流窒素の割合（前、大平 1983、Mae １９８６）. Percentage of remobilized-N to total-N. 100. (mg-N/ leaf blade). Absorbed-N ( ) Remobilized-N ( ). 3.0. 2.0. 転流窒素吸収窒素. 1.0. 0 0. 1. 2. 3. 4. N conc. of culture solution (mM). 5. 転流窒素割合 75. 50. 25. 0. 0. 1. 2. 3. 4. 5. N conc. of culture solution (mM).

(9) 出穂前30日頃に吸収した窒素のその後の分布・再分布（Mae & Ohira, 1981）. 第１２葉が成長中. Nitrogen (mg N/plant). Panicle １２L. Days after heading.

(10) イネの異なる生育時期に吸収した窒素の成熟期における地上部での分布（Mae 1986）. 0. 50. 100%. Date of 15N feeding May 5. 65%. May 23. 66% 72%. July 7. 68%. July 16. 71%. July 23. 79%. Aug. 16. Heading: Aug. 2 Harvest: Sept. 15. Panicle. Leaf sheath and stem. Leaf blade.

(11) 成熟期のイネの穂における窒素由来（Mae & Ohira, 1981、Mae, 1986）. 吸収窒素. Stem. Leaf blade. Leaf. sheath 転流窒素. ８割は栄養器官からの転流由来窒素.

(12) 「窒素と光合成、Rubisco」. 植物体全窒素のおよそ４割が葉身に分配光合成の要、Rubisco.

(13) 葉身窒素量と光合成速度の関係（Makino et al., 1994）. イネホウレンソウ. (μmol m-2 s-1). 光合成速度(36 Pa CO2). コムギ. インゲン. 葉身窒素量（mmol m-2).

(14) 葉身における葉緑体への窒素分配全葉身窒素の７－8割が葉緑体に分配され、光合成機能が支えられている. 液胞ミトコンドリア. P CP CP CP. 葉緑体.

(15) C3光合成の概要集光、電子伝達反応 Light. 光呼吸表皮細胞. 葉細胞肉. 気孔. Rubisco. CO2 葉外. 炭素還元回路 CO2 拡散. Pi 原形質膜. Sugar-P. 葉緑体. Pi Sugar-P.

(16) 「Rubisco：光合成の初発反応を担う酵素」ー光合成のエンジンー. CO2 ２×三炭糖リン酸五炭糖二リン酸.

(17) 葉身におけるRubiscoへの窒素分配. 地球上で最も多いタンパク質個体の炭素経済と窒素経済の鍵となる酵素.

(18) ２ x C3 CO2. Rubisco Rubiscoは、その触媒機能において格別に非効率な酵素である. C5 炭素還元の他の酵素に較べ、その触媒速度は数百から数千分の一でしかない Carbohydrate Rubiscoは光合成の律速因子か？か？. それとも貯蔵タンパク質.

(19) 光合成速度とRubisco含量の関係. コムギイネ. (μmol m-2 s-1). 光合成速度(36 Pa CO2). (Makino et al., １９８８). 葉身のRubisco量 g m-2.

(20) Rubisco量を遺伝子操作法を用いて特異的に減らした形質変換体イネの葉身光合成速度とRubisco量の関係. 光合成速度(36 Pa CO2) (μmol m-2 s-1). (Makino et al., １９９７). 葉身のRubisco量 g m-2 葉のRubisco含量は、光飽和、現大気CO2下での光合成の律速因子.

(21) 生育環境とRubisco含量. イネの光合成は、生育時の環境変化に対しRubisco割合は変化させず、他の因子割合を変化させ適応している.

(22) 「Rubiscoのターンオーバー」－生成と分解ー. ターンオーバーの実態 Rubisco生合成の分子基盤.

(23) 転出量. 分配量. 葉身窒素量. 葉の一生におけるRubiscoの生成と分解と窒素の分配量、転出量の関係. －N C. 0 mM 2 mM. ＋N. 4 mM. 分解量. 生成量. Rubisco量. 出葉後の日数. 出葉後の日数. （Makino et al., 1984）. Rubisco生成は、葉の展開終了時までに７－９割を終える．Rubisco生成量は、葉への窒素分配量とパラレルな関係にある.

(24) Rubisco生合成の分子的基盤 Rubiscoは大サブユニットと小サブユニットから構成される細胞質. 核. ｒｂｃS . 葉緑体. L8S8. ｒｂｃL.

(25) 葉の生長中の窒素栄養とRubisco量、rbｃS, rbcL mRNA量の関係 (Imai et al., 2005). 窒素栄養レベルに応じてRubisco量、rｂｃS, rbcL mRNA量は共に変動 → 生長中の葉でのRubisco生成は、転写レベルでの制御が主役.

(26) 葉の老化過程に多量の窒素を与えた場合のRubiscoの生合成. 1.25. 1 mM N. 切除区. 4 mM N. 1.00. 4 3. 0.75 2. 0.50 1. 0.25. 0. 0.00. 0 4 8 12 16 20 24 28 0 4 8 12 16 20 24 28 0 4 8 12 16 20 24 28. Days after leaf emergence : 完全展開. Rubisco (mg/leaf blade). Synthesized Rubisco (mg/leaf blade/2 days). (Imai et al., 2005).

(27) Relative level (leaf blade basis). 1.00. (Imai et al., 2005). 0.75 0.50 0.25 0.00. Relative level (leaf blade basis). rbcS mRNA. 1.00. rbcL mRNA. 0.75 0.50 0.25 0.00 0 4 8 12 16 20 24 28. Days after leaf emergence. 4 mM N 1 mM N. : 完全展開.

(28) 葉の老化とrbcS , rbcL mRNA量、Rubisco生成量の関係 (Imai et al., 2005). Synthesized Rubisco/rbcS mRNA (mg/relative unit). Synthesized Rubisco/rbcL mRNA (mg/relative unit). 老化初期. 老化中期. 老化後期. 1 mM N. 0.36. 0.23. 0.18. 4 mM N. 1.15. 0.95. 0.43. 1 mM N. 0.26. 0.10. 0.05. 4 mM N. 0.93. 0.70. 0.38. rbcS、rbcL mRNA量に対するRubisco生成量の割合は、葉の老化の進行と共に低下. →. 翻訳レベルでの制御.

(29) Rubiscoの調節粗調節 (Course control)：量の調節・葉の大きさ・単位葉面積当たりのRubiscoの生成量と分解量生成量：・葉の展開中に７-９割が生成され、老化過程での生成量は限られている－葉齢に基づく生合成制御のプログラムがある－・単位ｒｂｃS, rbcL mRNA量に対するRubisco生成量は、葉の老化の進行と共に低下－翻訳レベルでの制御があるー・葉の一生を通して葉への窒素分配量と高い相関－窒素レベルを感知し、生合成量を調節するシステムがある－微調節 (Fine control)：活性型－不活性型（Rubisco活性化酵素）.

(30) 「葉の老化と窒素転流、Rubiscoの分解機構」ー葉の老化は光合成機能の低下と窒素供給の相反する機能に関与ー.

(31) 転流窒素源としてのRubisco イネ第12葉の老化に伴う Rubisco量の変動. イネ大12葉からの全転流窒素中に占めるRubiscoの割合. (Makino et al., 1984).

(32) Rubisco分解は何処でどのように起こるのか Rubisco. 葉緑体. Phase of degradation Rubisco Chloroplast. 40. 6.0. 30. 4.0. 20. 2.0. 10. 0. 0. 10. 20. 30. Rubisco-N (µg/leaf). Chloroplast Number (×107/leaf). 8.0. ?. 細胞質液胞. 0. Days after Sowing. Mae et al. (1984) Plant Cell Physiol. 25: 333-336. ?.

(33) 予想される葉の老化に伴うRubisco分解機構 3. Rubiscoの細胞質への排出 R. R. ４．RCBを介した排出と液胞への運搬、分解. 葉緑体 1. 分解システムの発現、活性化 Protease. R R. R. R. Rubisco R. RCB. R R. R. R. R. R. 2. Rubiscoの修飾、酸化、変性、活性酸素による断片化. R. 液胞.

(34) 暗所下、葉緑体破砕液中でのRubisco分解 Fragmentation of the LSU in chloroplast lysates incubated in darkness (Kokubun et al., 2002) Chloroplast lysates incubated in darkness at 37°C Time [h]. 0. 6 12 18. L8S8. 24. LSU 44 kDa. Arg 41. 切断部位. 現在、この分解を担うプロテアーゼの同定を行なっている.

(35) 光エネルギーの過剰下では、Rubiscoが活性酸素により直接断片化される. 光. 光は植物にとって両刃の剣.

(36) 低温、光照射下における葉緑体破砕液中でのRubiscoの分解 (Ishida et al., 1997).

(37) Rubisco断片化の要因は？プロテアーゼそれとも活性酸素？.

(38) 低温、光照射下でのRubisco断片化に及ぼす(A)プロテアーゼ阻害剤と (B)活性酸素捕捉剤の影響.

(39) Rubiscoの断片化はフェントン反応によって発生するヒドロキシルラジカルにより引き起される.

(40) In vivoにおけるRubisco-LSUの分解（Nakano et al., 2006）. In vitro. In vivo Light. Purified Rubisco. ・OH. LSU. H2O2 FeSO4 Sodium ascorbate. 45 kDa 43 kDa 42 kDa 37 kDa 33 kDa. 4°C. キュウリ葉切片.

(41) (Ishida et al., 1999).

(42) Ishida et al., J. Biol. Chem., 5222-5226 (1999), Luo et al., J. Biol. Chem., 277, 12382-12387 (2002).

(43) 予想される葉の老化に伴うRubisco分解機構 3. Rubiscoの細胞質への排出 R. R. ４．RCBを介した排出と液胞への運搬、分解. 葉緑体 1. 分解システムの発現、活性化 Protease. R R. R. R. Rubisco R. RCB. R R. R. R. R. R. 2. Rubiscoの修飾、酸化、変性、活性酸素による断片化. R. 液胞.

(44) 老化に特異な新規構造体Rubisco-containing body（RCB） (Chiba et al., 2003). V P. M CP. P. P M. Rubisco-containing Body (RCB). CP M. P CW. CP CP 2.0 µm.

(45) RCBs in wheat leaves (number/ 50cell sections). 30. RCB. (Chiba et al., 2003). RCB. 20 10. V. 0. M. CP. 5. Rubisco 0. CP. (mg/gFW). M. (mg/gFW). 10. 3.0. 1.5. Chl 0. RCB (mg/gFW). 0.8. CP. 0.4. LHCII 0. Bar = 0.5 µm. 10. 20. 30. Days after sowing.

(46) Working hypothesis of degradation of stromal proteins via RCBs Vacuole Released amino acids Vacuolar proteases. Resource of nitrogen and carbon. RCB. Tonoplast. RCB Isolation membrane?. Chloroplast. ATG-dependent system? RCB. Autophagosome?. Stromule. Cytoplasm.

(47) atg5 mutation disrupts accumulation of RCBs WT. atg5-1. 50 μm. 50 μm.

(48) 「イネの生産性向上に向けて」.

(49) 世界人口の増加 (Million) 10,000. 89億. 2050 8,000. 2000. 6,000. 61億 Asia. 4,000. 0. 26億. 1960. 2,000. AC. 0. 1650. Year. 1800. 1960 2000. 2050. 急激な発展途上国での人口増. 世界規模での食糧危機の到来.

(50) 穀類をめぐる新しい問題点. 途上国における食の欧米化世界の穀類平均消費量・・・・一人当たり３１７ｋｇ先進国：途上国. ５７８ｋｇ：２４０ｋｇ. 米国：インド. ８００ｋｇ：２００ｋｇ. 牛肉（生）. １ｋｇの生産に必要な穀類. ７ｋｇ. 牛肉（乾物）１ｋｇの生産に必要な穀類. ２０ｋｇ. 豚（生）. １ｋｇの生産に必要な穀類. 鶏肉（生）. １ｋｇの生産に必要な穀類. ４ｋｇ２ｋｇ.

(51) さらなる新しい問題：. 石油危機、地球温暖. 化！・デンプンからエタノール生産の急騰トウモロコシ、サトウキビ、サツマイモ、キャッサバ等のデンプンや砂糖の原料が材料. 食糧、飼料、エタノール原料の間での競合.

(52)

(53) 世界地域別の作物生産量と窒素肥料消費量 Area. Crop production (x106 t) %. N-fertilizer (x106 t). %. ( N kg/ha). Africa. 112 ( 5). 2.4 ( 3). 14. North America. 395 ( 19). 12.9 ( 15). 58. Central and South America. 137 ( 7). 5.0 ( 6). 37. Asia. 983 ( 48). 49.9 ( 58). 101. Europe. 387 ( 19). 14.1 ( 16). 48. Oceania. 37 ( 2). 1.3 ( 2). 26. 2,063 (100). 85.5 (100). 62. World. Calculated from data by Ishii (2003).

(54) Increase in World Population (Million) 10,000. 8,909. 2050 8,000. 2000. 6,000. 6,055 Asia. 4,000. 0. 2,622. 1960. 2,000. AC. 0. 1650. Year. 1800. 1960 2000. 2050. 穀類生産量の増加環境への窒素負荷の軽減. 窒素利用効率に優れた超多収新品種の育成が望まれる.

(55) 「イネの収穫物容量の増大は、収量、窒素利用効率の改善をもたらすか？」－大粒イネ新品種秋田63号の特性解析から－.

(56) Common japonica cultivars 21-25mg (brown rice basis). A new cultivar with a large grain size, Akita 63. 30-31mg (brown rice basis).

(57) Akita-63 Yukigesyou Sasanishiki.

(58) Akita 63.

(59) 秋田63号及び対照品種の玄米収量 (Brown rice basis) Year. 2000. 2001. 2002. Yield（t/ha）. N-treatment. High Standard None Single. Akita 63 9.82 ± 0.66 (129)** 7.88 ± 0.44 (155)*** 5.79 ± 0.75 (158)* 8.67 ± 0.59 (135)*. High Standard. Akita 63 Toyonishiki 9.39 ± 0.31 (123)** 7.65 ± 0.38 (100) 6.94 (141) 4.93 (100). None. 4.34. Single. 9.54 ± 0.30 (135)*. High Standard. Akita 63 7.46 ± 0.35 (122)* 5.79 ± 0.66 (144)*. (140). Yukigesyou 7.63 ± 0.57 (100) 5.10 ± 0.64 (100) 3.66 ± 0.14 (100) 6.41 ± 0.10 (100). 3.09. Akitakomachi. 5.43 ± 0.27 (106) 4.26 ± 0.64 (116). (100). 7.60 ± 0.59 (100). n=3 except for the plots of Standard and None in 2001 (n=2). *, ** and ***; Significant difference at 5, 1 and 0.1% levels, respectively.. Akitakomachi 6.11 ± 0.39 (100) 4.03 ± 0.24 (100).

(60) 成熟期の全乾物重、穂重、収穫物指数 (high N) Year. Cultivar. Total dry matter A (g m-1). 2000. 2001. 2002. Panicle B. Harvest Index. B/A. (g m-1). Akita 63. 1913 ( 96). 1130 (119)**. Yukigeshou. 2003 (100). 948 (100). 0.47 (100). Akita 63. 2017 (113). 1111 (132)*. 0.55 (117)*. Toyonishiki. 1792 (100). 845 (100). 0.47 (100). Akita 63. 1646 (116). 952 (138)*. 0.58 (118)***. 689 (100). 0.49 (100). Akitakomachi 1419 (100). 0.59 (126)**. *, ** and ***: Significant difference at 5, 1, and 0.1% levels, respectively..

(61) 登熟期の異なる時期に同化した１３CO2の成熟期における体内分布. 1. Time of 13CO2 applied. 0. Heading. 5. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 50 日. Harvest.

(62) 登熟期の異なる時期に同化した13Ｃの成熟期における体内分布. トヨニシキ Toyonishiki 100. 80. 80. Proportion C 分配割合(%) (%). 100. 60 40 20 0. 60 40 20. 13. 13. Proportion C 分配割合(%) (%). Akita 63 秋田63 号. 0. 5. 15 20 25 30 35 40 出穂後日数 Days after heading. Panicles. 5. 15 20 25 30 35 40. 出穂後日数 Days after heading. Culms & leaf sheaths. Leaf blades.

(63) 籾数. 50000 40000 30000 20000 10000 0. 8. LAI. 乾物重. 2000. 6. 1500. 2. 500. 5. 10. 15. 20. 25. シンク容量 1500. 1000. 500. 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. Total N content (g m-2). 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. 0. 1500. 5. 10. 15. 20. 25. 15. 20. 25. 1200. 穂重. 1200. 玄米収量 Yield (g m-2). 0. 4. 1000. 0. 2000. Sink capacity (g m-2). 2500. LAI. Total dry matter (g m-2). 60000. Panicle dry weight (g m-2). Number of spikelets (m-2). 成熟期の地上部窒素量と籾数、総乾物重、LAI, シンク容量、穂重、玄米収量の関係. 900 600 300 0. 900. 600. 300. 0 0. 5. 10. 15. 20. 25. Total N content (g m-2) ■ Akita63-02 ● Akita63-01 ▲ Akita63-00. ◇ Akitakomachi-02 □ Toyonishiki ○ Yukigeshou △ Akitakomachi-00. 0. 5. 10. Total N content (g m-2).

(64) まとめ単位吸収窒素量当たり、単位葉面積当たりの収穫物容量が大きい ●. 少ない施肥量で、超多収に必要な収穫物容量が確保できる ●. ●. 穂への物質転流効率がよく、収穫物指数（HI)が高い. 窒素当たりの生産効率に優れた未来型の超多収品種である ●. 結論イネの大粒化による収穫物容量の増大は、多収と窒素利用効率の向上を実現できる有効な方法である.

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(66) ｢少年老いやすく、学なり難し」ーあっという間の東北大学での研究生活でしたー. わたしは種を播いただけ・・・・. それぞれが自分の力で大きな木へと育てました・・・・. 大きな実をつけることを楽しみにしております・・・・.

(67) 謝辞植物栄養生理学分野. 他研究室（生物化学系）. （旧土壌肥料学講座、植物栄養・肥料学講座）. 高橋甫本学名誉教授（故人）. 藤原彰夫本学名誉教授（故人）、. 志村憲助本学名誉教授. 大平幸次本学名誉教授. 長山英男本学元助教授. 小島邦彦本学元教授（故人）. 山下恭平本学名誉教授. 門脇信本学元助教授（故人）. 松田和雄本学名誉教授. 堤道雄本学元助手/宇都宮大学名誉教授. 伊崎和夫本学名誉教授. 横田聡元助手. 水野重樹本学名誉教授（故人）. 桜井林治元技官（故人）. 折谷隆之本学名誉教授. 佐々木瑞雄元技官（故人）. 一島英治本学名誉教授杉山長美本学元助教授（故人）. 今野誠子事務補佐員上石真理子事務補佐員小松淳子事務補佐員. 横尾正道元助手他研究室（農学系）庄子貞雄本学名誉教授.

(68) 大学院時代. 石上清博士. 上宮修清博士. 山下忠明博士. 遠藤政弘修士. 須藤忠博士. 千葉和彦博士. 紺野信弘博士. 伊藤信博士. 渡辺政弘修士. 菅原和夫本学名誉教授. 山内正公博士. 東北大学教官時代多くの院生、学生、. 三枝正彦本学教授中島佑本学名誉教授. 研究生、博士浪人時代. 中野長久大阪府大教授. 山谷知行本学教授. 菱沼文男博士. 佐々木憲博士. 深沢親房博士. 清末芳生修士. 神尾是好本学名誉教授. 渡辺秀穂修士. 留学生、研修生. 池田信修士大森昭彦修士. 真鍋久博士. 渡辺徹男修士. 斉藤博之博士. 猪又勉博士（故人）. 岸波功博士. 渡辺丈夫修士. タ・チュン・チャン博士. 井理正彦博士（故人）. 星野卓修士. 事務部の皆様.

(69) 博士浪人時代. 赤沢尭名大名誉教授. Gasstra, P博士（オランダCPO）. 浅田浩二教授（京大、福山大）. Vonk, CR博士（オランダCPO）. 金井龍ニ埼玉大名誉教授. Hageman, RH（イリノイ大学農）. 石原邦東京農工大名誉教授. 横山達平氏（宮城農業センター）中鉢富夫氏（宮城農業センター）. 西村幹夫基礎生物研究所教授. 研究関係. 米山忠克東大教授. Huffaker, R教授（カルフォルニア大） Thomas, H教授（英国ＩＧＥＲ）. 東北大学農学研究科. Matto, KA博士（米国ＵＳＤＡ）. 山谷知行教授. Nooden, L教授（米国ミシガン大）. 早川俊彦助教授. Cassman, KG（ＩＲＲＩ，フィリピン） Bennett, J博士（ＩＲＲＩ，フィリピン）. 植物栄養生理学分野. Peng, PS博士（ＩＲＲＩ，フィリピン）. 牧野周助教授. 茅野充男教授（東大、秋田県立大）. 石田宏幸助手. 杉山達夫教授（名大、中部大）. 玉手敦子氏. 駒嶺穆教授（東北大、横浜市立大）. 鈴木雄二助手（環境応答実験施設）.

(70) The CAMBRIAN NEWS 11th January 1991.

(71) ありがとうございました感謝.

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