暑さに負けないイネ品種の開発Ⅰ 暑さに負けないイネ品種の開発Ⅰ

激変する自然環境下での農業
－バイオテクノロジーからの挑戦－
暑さに負けないイネ品種の開発Ⅰ
新潟大学自然科学系
大学院自然科学研究科生命食料科学専攻
農学部応用生物化学科
三ツ井敏明
お話の内容
１）稲の登熟生理
２）高温登熟で何が起こる？
３）澱粉分解酵素は米品質に影響を与える
４）高温登熟による米品質低下軽減のための戦略
図 1-1
図 1-2
イネの登熟生理：胚乳組織の初期成長
0 1 2 3 4 5 6
開花後日数
7
5 mm
図 1-3
図 1-7
図 1-6
図 1-8
図 1-9
図 1-11
図 1-10
図 1-12
図 1-13
代謝全体
澱粉合成
光合成
解糖系
クエン酸回路
脂質代謝
解糖系
タンパク質分解
LEAタンパク質
シャペロン
クエン酸サイクル
(Lee & Koh, Proteome Sci 9: 61, 2011)
代謝全体
澱粉合成
光合成
解糖系
クエン酸回路
脂質代謝
タンパク質分解
LEAタンパク質
シャペロン
図 1-14
(Lee & Koh, Proteome Sci 9: 61, 2011)
気温上昇(°C)
4.0
3.0
2.0
1.0
0
2000
300
気温
CO2
年
200
100
2100
0
Global Average Surface Temperature Change
©ICPP 2007 http://www.ipcc.ch
背景・問題点
○大気CO2濃度上昇による地球温暖化
○イネの高温障害多発による収量・品質の低下
（米価の下落）
○米生産農家の収入減
○産地のブランドイメージの崩壊
対照
高CO2
高CO2 + 高温
0 1 2 3 4 5 6 開花後日数
7
5 mm
高温区では腹側付近の胚乳細胞が横長になる
30/25 ℃ (5DAP)
33/28 ℃ (4DAP)
50 μm
（木下博士提供）
温度条件による日本晴胚乳発生
4 DAP
5 DAP
高温
33/28 ℃
標準
30/25 ℃
低温
27/22 ℃
3 DAP
20 μm
高温ストレスによって細胞成長プログラムが乱れる
図 2-1
(Morita et al., Ann. Bot. 95: 695, 2005)
図 2-2
高温登熟によって一等米比率低下
白濁粒の発生
コシヒカリの一等米比率（新潟県）
マスコミが
大きく報道
(Ministry of Agriculture, Forestry and Fisheries)
年平均気温（新潟県）
最高平均気温計測年
（IPCC）
1998(1st) 2005(3nd) 2010(2nd)
上昇
(Japan Meteorological Agency)
50.0
（梅本博士提供）
白未熟合計 (%)
40.0
コシヒカリ
30.0
20.0
10.0
0.0
18.0
20.0
22.0
24.0
26.0
出穂後２０日平均気温(℃)
図 2-5
28.0
30.0
図 2-3
図 2-4
図 2-7
図 2-6
図 2-8
図 2-9
整粒
心白米
背白米
基白米
散乱光
光
透過光
白濁形質
乳白米
走査電子顕微鏡によるコシヒカリ
澱粉顆粒構造の観察
白濁部位
正常部位
デンプンの分子構造
図10
24
高温登熟によってアミロペクチンの単位鎖DP6, 1113が減少し、DP8, 22-24, 29が増加
Inouchi et al. Starch, 52, 8-12 (2000)
高温登熟による澱粉鎖長分布変化の原因は
澱粉分枝酵素IIb（BEIIb）である
Tanaka et al. Plant Biotechnol. J., 2, 507-516 (2004)
マイクロアレイ解析
高温登熟によって、胚乳における澱粉合成酵素（GBSS1, BEIIb）の発現が減少し、αアミラーゼ遺伝子（Amy1A, Amy3D, Amy3E）の発現が顕著に増加した。
(2007)
Yamakawa et al. Plant Physiol., 144, 258-277
局所プロテオミクス
ショットガン解析
In Solution・Shotgun
Quantitaion
MS/MS analysis
蛋白質抽出
Protein extraction
LTQ-Orbitrap XL
Protein extraction
トリプシン消化
Trypsin digestion
Trypsin digestion
iTRAQ標識
iTRAQ labeling
iTRAQ labeling
クロマトグラフィー
混合
Mix
Cation exchange column chromatography
/desalting treatment
乳白部位におけるAmyⅡ‐3のMS/MS解析
MS/MS解析によって玄米中心部にAmyII-3タンパク質
を検出
L Q A A VQ G E L W b[+1]
L E G QV A A Q L I y[+1]
y 1+
1+
1400
Intensity (counts)
1200
b1+
6
b1+
1+
698.4088
b
4
556.3070 5
627.3870
1000
800
600
400
200
9
y8
958.38381029.4667
0
836.7016
Intensity (counts)
600
800
1000
800
600
Opaque
(2.9‐fold）
117.1145
z=1
400
Translucent
200
0
115.8
116.0
m/zm/z
1000
1+
y11
1270.5241
1+
b11
1224.6311
1+
y12
1440.43881523.7498
1383.6111
1314.4994
1452.76661530.3486
1200
1400
α-アミラーゼ蛋白質レベルが上昇
116.1113
z=1
1200
1116.7888
1065.7327
528.3942
400
y 1+
10
1157.4292
771.2869
b 1+
3
y 1+
428.3947 3
474.3218
b1+
2
315.2680
y1+
2
361.3336
251.4912
y 1+
7
887.3651
116.2 116.4 116.6
m/z
m/z
116.8
117.0
117.2
Up‐regulation of α‐amylase protein was found in the opaque part of Koshihikari grains caused by high‐temperature stress
1600
Expression ratio of Chalky / Perfect (fold)
高温登熟で生じた白濁部位では熱ショック蛋白質が
活発に発現
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
M. Tsuyukubo, T. Ookura, S. Tsukui, T. Mitsui and M. Kasai: Elution behavior
analysis of starch degrading enzymes during rice cooking with specific
antibodies. Food Sci. Technol. Res., 18, 659-666 (2012).
Ratio of first class rice（％）
千粒重
粒長
粒幅
粒厚
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
コシヒカリの一等米比率（新潟県）
２００９
２０１０
整粒と白濁粒の澱粉鎖長分布には差異は認められない
2009 コシヒカリ
2010 コシヒカリ
Ratio of first class rice（％）
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
コシヒカリの一等米比率（新潟県）
整粒
２００９
２０１０
整粒
白濁部
白濁部
イネ登熟に及ぼす高温の影響
○ 細胞成長プログラムが乱される
・登熟初期においては細胞の横伸長が大きくなる
・乳白が生ずる組織部位の細胞は小さくなる
○ 蛋白質発現が変動
・熱ショック蛋白質が顕著に誘導される
・澱粉集積に対して抑制的に働く酵素の活性発現
が高まる

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