光によってプロトンポンプが活性化し気孔が開くしくみを解明 －高いCO₂吸収力をもつ植物の開発に期待－

発表のポイント

• 植物の細胞膜プロトンポンプが光によって活性化し、気孔が開くしくみを解明
• プロトンポンプの光活性化には、自己阻害領域の2カ所のアミノ酸のリン酸化が必須
• バイオテクノロジーを利用して、植物の光合成や成長を増大させる新技術に期待

概要

　betway必威体育大学院創成科学研究科（理学系学域）の武宮淳史准教授、冨士彩紗大学院生、山内翔太研究員（現在は東京理科大学 創域理工学部 嘱託助教）の研究グループは、東京理科大学創域理工学部の西浜竜一教授らと共同で、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ました。
　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）の吸収を促進します。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します。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ませんでした。
　本研究では、気孔を構成する孔辺細胞において、プロトンポンプの自己阻害領域に存在する2カ所のアミノ酸が青色光に応答して特異的にリン酸化されることを発見し、これらのリン酸化がプロトンポンプの活性化と気孔開口に必須であることを突き止めました。さらにプロトンポンプは孔辺細胞の光合成によってもリン酸化され、気孔開口を促進することを示しました。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ります。
　本研究成果は、2024年2月20日19時（日本時間）にイギリス科学誌「Nature Communications」でオンライン公開されました。

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発表論文の情報

• 論文名：Light-induced stomatal opening requires phosphorylation of the C-terminal autoinhibitory domain of plasma membrane H⁺-ATPase
  （光による気孔開口には細胞膜H⁺-ATPaseのC末端自己阻害領域のリン酸化が必須である）
• 著　者：Saashia Fuji, Shota Yamauchi, Naoyuki Sugiyama, Takayuki Kohchi, Ryuichi Nishihama, Ken-ichiro Shimazaki, Atsushi Takemiya
  （冨士彩紗、山内翔太、杉山直幸、河内孝之、西浜竜一、島崎研一郎、武宮淳史）
• 掲載誌：Nature Communications, 15：1195（2024年）
  https://www.nature.com/articles/s41467-024-45236-9
• D O I：10.1038/s41467-024-45236-9
• 掲載日時：2024年2月20日付

謝辞

　本研究は、JSPS科研費 (21H02511、22K15144、21H02466、20H03275)、MEXT科研費(21H05665、22H04726、23H04202、19H05670)、JST SPRING (JPMJSP2111)、betway必威体育研究拠点群形成プロジェクト、日本応用酵素協会、武田科学振興財団の支援を受けて行われました。