植物は光合成だけでなく、体内時計の調節にも光を使用する - 九州大

九州大学は8月17日、概日時計を用いた植物の効率的かつ柔軟なデンプン代謝を可能にするメカニズムの一端を明らかにしたと発表した。

同成果は、九州大学大学院理学研究院の佐竹暁子 准教授と関元秀 特任助教、大原隆之学振 特別研究員、英国ケンブリッジ大学、ドイツのマックスプランク研究所、ブラジルバイオエタノール科学技術研究所との共同研究によるもの。詳細は英国の学術誌「Scientific Reports」に掲載された。

植物の概日時計とデンプン代謝系の相互調節モデル(出所:九州大学Webサイト)

植物は、昼間に光合成を行い獲得した光合成産物の一部をデンプンとして蓄えておき、夜間にはそれを分解し、生存・生長に必須のショ糖などの栄養をつくる。蓄えが少ないと夜間に栄養不足に陥るが、逆に蓄えが多すぎると、昼間のショ糖が不足して成長が妨げられてしまう。また、昼の長さは季節の進行とともに刻々と変化するので、これに合わせて昼間の蓄積と夜間の消費を調整する必要がある。しかし、このような効率的かつ柔軟なデンプン代謝を可能にするメカニズムはこれまで未解明のままであった。

今回の研究では、数理モデリングの手法を用いて、先行研究の断片的な実験結果を統合し、概日時計と光、そして植物の成長に直接利用されるショ糖に着目したデンプン代謝系モデルを開発した。

ほとんどの生物は24 時間の周期の活動を行うために概日時計をもっており、この時計の針は、夜明けや日暮れに生物個体や細胞が光の変化を感知したときに調節されると知られている。これにより昼の長さの季節変化に対応すると考えられてきた。

このモデルを解析した結果、植物が昼の長さの変化に応じて効率的なデンプン代謝を行うためには、光刺激に加え、光合成で自ら作り出した糖の濃度上昇・低下を感知したときにも概日時計の針を調節していることが明らかになった。さらに、このモデルを確かめるために糖刺激に対し針を動かさない概日時計を持つシロイヌナズナの突然変異体で実験を行ったところ、昼が長い時にデンプンを過剰に蓄える非効率なふるまいを見せた。このことから、糖の感知が概日時計の調節に影響することが裏付けられた。

同研究グループは、今後、環境を制御して作物の効率的生長を目指す植物工場で利用される可能性があるとコメントした。また、哺乳類のもつ概日時計も糖刺激に反応することが知られていることから、植物に限らず動物への応用可能性も高いものだと言及している。



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