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20132013 年度 生物生産科学フロンティア講義年度 生物生産科学フロンティア講義 X X (( 051311)051311)
植物と水の細胞分子生理学Molecular and Cell Physiology of Water in Plants
(( 21, June 201321, June 2013 ))
岡山大学資源植物科学研究所 且原真木Maki Katsuhara (IPSR, Okayama Univ)
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岡山大学資源生物科学研究所
1914 1952 1988 2004 2010 2013
(大 3 ) (昭 27 ) (昭 63 ) (平 16 ) (平 22 )(平 25 )
農業生物研究所農業生物研究所大原農業研究所大原農業研究所 資源生物資源生物科学研究所科学研究所
私立 国立 独立法人私立 国立 独立法人
99
創設者 初代理事大原孫三郎氏大原孫三郎氏
資源植物資源植物科学研究所科学研究所
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Molecular base of water uptake in plant cells: Aquaporins
Part 1 植物生産における水と地球規模での水危機水関連ストレス ( 塩ストレス)Water in plant production and water on the EarthWater (salt) stresses
Part 2 水ポテンシャル、アクアポリンの機能・構造Water potential, Function and structure of aquaporins
Part 3 アクアポリン研究の成果Progresses in aquaporin research
Part 4 アクアポリンによる中性低分子化合物輸送アクアポリン研究のアウトプットNeutral low molecular-weight compoundsOutput of aquaporin research
細胞が水を吸収するための分子基盤である植物アクアポリンについて、その機能、ストレス応答、活性制御についての最近の研究成果を紹介する。またアクアポリンは水以外のさまざまな低分子化合物の輸送にも関与していることや、アクアポリン研究のアウトプットについても述べる。
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「人口70億人時代の食糧戦略」 (日経サイエンス 2012年3月号)
植物生産における水と地球規模での水危機 植物生産における水と地球規模での水危機 Water issueWater issue
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* 分配の問題 (Distribution issue)
23 億 ton (年間穀物生産量) ÷ 70 億人 (世界の人口)⇒ 328kg/person
1※ 人当たり 1 年間の標準量は 180kghttp://www.chikyumura.org/environmental/earth_problem/food_crisis.html
http://www7b.biglobe.ne.jp/~sumida/Food.html
* 増産の必要性 Increase in production
Hunger map
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「人口70億人時代の食糧戦略」 (日経サイエンス 2012年3月号)
• Increase of productivity in low-output lands
• Increase of water and nutrition use efficiencies
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世界の水問題世界の水問題Global water crises Global water crises
• 人口増加と社会の発展Increase of population and socialdevelopment
• 生活用水 / 農業用水不足Shortage of water foir life and agriculture
• 生態系への影響(水の汚染 )Environmental problem (wter pollution)
• 氾濫地域への居住人口↑(洪水被害の増大)Population in flood area
世界の水需要と見通しGlobal water demand (perspective)
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干ばつ Drought 地下水枯渇Shortage of ground water洪水Flood雪解け水減少Thawing water decrease海面上昇Sea level elevationWater crisis
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環境・人口問題: 12 分類「銃・病原菌・鉄」、「文明崩壊」著者
J.Diamond による(2012年1月3日朝日新聞)自然破壊
漁業資源の枯渇種の多様性喪失土壌侵食化石燃料の枯渇水不足光合成で得られるエネルギーの限界化学物質汚染外来種の被害地球温暖化人口増1人当たり消費エネルギーの増加
Water shortage
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一人一日平均約 2000 リットル!(2000L/person ・day)
日本の水事情 日本の水事情 Water in JapanWater in JapanD
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Agriculture
Industry
Daily life
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世界の水を使う日本(世界の水を使う日本( Virtual Virtual WaterWater ))
• 日本は多くの食料を輸入に依存している( Import)
• 食糧を生産するのには多くの水が必要 食パン (Bred) 1斤: 500~ 600 little
牛丼一杯 (Beef bouwl) :約 2000 little
第 3 会世界水フォーラム事務局資料より
( http://eco.goo.ne.jp/business/csr/ecologue/wave16.html )
Beef :1500 littleOnion : a few littleRice :500 litteleVirtual water import
Wheat and barley
Beef
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地球の直径=約1万3000 km (Diameter of the Earth)
「みずものがたり」(ダイヤモンド社)より
(all water)
(salt water)
(fresh water)
(ice)(freshwater lake and river)
(ground water)
(lake)
(soil water)
地球にある「水」の分布と量
Water in the Earth
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朝日放送(テレビ朝日系) 2008 年 3 月 9 日放送
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• 世界の水問題の深刻化は、私たちに無関係ではありません。Global water crisis links to us
• 「農業灌漑は莫大な水を消費する。灌漑用水を10%減らせば、他の用途で使用される水全体より多くの水を節約できる。」10% reduction of irrigation water saves more than all others(前出 日経サイエンス2008年11月号) (Scientific American)
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植物科学からのアプローチ 植物科学からのアプローチ Plant Plant ScienceScience 乾燥耐性(水の効率的利用)、耐塩性の解明と乾燥耐性(水の効率的利用)、耐塩性の解明と応用応用 Drought/salt tolerance (efficient water usage) Drought/salt tolerance (efficient water usage)
水吸収/輸送の分子機構解明水吸収/輸送の分子機構解明Mechanism of water uptake/transportMechanism of water uptake/transport
![Page 18: 岡山大学資源植物科学研究所 且原真木 Maki Katsuhara (IPSR, Okayama Univ)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061506/56814d4d550346895dba7e7b/html5/thumbnails/18.jpg)
(生物が使える)水の欠乏 (lack of water) する場所
降雨 (rain)<蒸発 (Evaporation) 沙漠(砂漠) desert 陸地の約 1/3
水が凍結 (frozen) 寒冷地 (cold district) 陸地の約 1/3
蒸発 (evaporation) → 乾燥 ↓ (drought)塩分が残る・・・ 高塩濃度によるストレス(salt remains) (salt stress)
水関連ストレス水関連ストレス (( 塩ストレス) 塩ストレス) Water stress (salt stress)Water stress (salt stress)
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山陽新聞2011 年 4 月 3 日Tsunamai
MineralWater Na+↑
Mineral
Water↓
Na+
Water(Dehydration)
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Salinity stressSalinity stressSalinity stressSalinity stress
Osmotic stressIonic stress(K+ deficiency/ excess Na+ influx)
Inhibitions of: water uptakecell elongationleaf development
Dehydration
Ion homeostasisNa+ extrusion/compartmentation/K+ reabsorption
Osmotic adjustmentAccumulations of ions/solutes/organic compounds
<Signal transduction>
(Cell death)
Inhibitions of: photosynthesisprotein synthesisenzyme activity
Na+ toxicity
A schematic summary of the stresses that plants suffer and resultant responses of plants to detrimental effects for survival under high salinity.
Drought stressDrought stressDrought stressDrought stress
Aquaporin
Ion transporters
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Death Valley(USA)
![Page 22: 岡山大学資源植物科学研究所 且原真木 Maki Katsuhara (IPSR, Okayama Univ)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061506/56814d4d550346895dba7e7b/html5/thumbnails/22.jpg)
New South Wales (Australia)
![Page 23: 岡山大学資源植物科学研究所 且原真木 Maki Katsuhara (IPSR, Okayama Univ)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061506/56814d4d550346895dba7e7b/html5/thumbnails/23.jpg)
← 管理 再生
管理失敗 荒廃
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![Page 25: 岡山大学資源植物科学研究所 且原真木 Maki Katsuhara (IPSR, Okayama Univ)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061506/56814d4d550346895dba7e7b/html5/thumbnails/25.jpg)
Salinity in Australia
http://www.youtube.com/watch?v=a1nqiOpz1Xc
![Page 26: 岡山大学資源植物科学研究所 且原真木 Maki Katsuhara (IPSR, Okayama Univ)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061506/56814d4d550346895dba7e7b/html5/thumbnails/26.jpg)
Salinity in Australia
http://www.youtube.com/watch?v=a1nqiOpz1Xc
Australian Plant Phenomic Facility (Stress Physiology Research)
Plant Accelerator
http://www.plantaccelerator.org.au/
![Page 27: 岡山大学資源植物科学研究所 且原真木 Maki Katsuhara (IPSR, Okayama Univ)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061506/56814d4d550346895dba7e7b/html5/thumbnails/27.jpg)
One strategy to salt/draught stress CAM (Crassulacean Acid Metabolism)
CAM : Stomatal Open at Night → Less Water Loss
PEPCase as same in C4
(C3型)
(CAM型)
Malate Accumulation in CAM Plants
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C 3/ CAM変換
• “Ice” is bladder cells in Mesembryanthemum crystallinum 。• Growth in winter (C3) → CAM induction in early summer• Salt stress accelerate CAM induction
Plant Physiology 94:1137, 1990Mesembryanthemum crystallinum (ice plant)
![Page 29: 岡山大学資源植物科学研究所 且原真木 Maki Katsuhara (IPSR, Okayama Univ)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061506/56814d4d550346895dba7e7b/html5/thumbnails/29.jpg)
• One of 2 PEPCase induction during CAM induction.• High salinity tolerance; possible use for the remediation of salinity
lands.
Plant Cell 1:715, 1989
Bladder cells
![Page 30: 岡山大学資源植物科学研究所 且原真木 Maki Katsuhara (IPSR, Okayama Univ)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061506/56814d4d550346895dba7e7b/html5/thumbnails/30.jpg)
Na transporters in ArabidopsisAtHKT1とSOS1の植物体内での生理的役割( today’s model )
AtHKT1 transports only Na+ (not K+).
![Page 31: 岡山大学資源植物科学研究所 且原真木 Maki Katsuhara (IPSR, Okayama Univ)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061506/56814d4d550346895dba7e7b/html5/thumbnails/31.jpg)
Apoplastic bypath flow
In Rice:
Primary protective mechanisms mediated by Na+ transporters on important biological membranes Rice誌 5 : 11 (2012))NOTE: Difference among plants
![Page 32: 岡山大学資源植物科学研究所 且原真木 Maki Katsuhara (IPSR, Okayama Univ)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061506/56814d4d550346895dba7e7b/html5/thumbnails/32.jpg)
OsHKT2;1 : K + -independent Na + transport
OsHKT2;2 : K + -dependent Na + transport N + -dependent K + transport
Plant Physiology 152:341, 2010(タバコ培養細胞に発現させて測定)
K+ 欠乏下で発現→ K + の代替をする Na + 輸送(EMBO J 26:3003, 2007)
○ Rice BarleyCotton CabbageSpinach Beat・・・
× Maize CanolaSoy bean・・・
(「植物栄養学」第2版)
(多量の Na + があると、もっぱら Na + を輸送)Physiological replacement of Na + to K + under K + deficient condition (Some plants).
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Other approach to salt/draught tolerance
→ 乾燥耐性というか節水型トウモロコシ (米国 )
モンサント社の MON87460 (商品名、 Drough-Gard )
( Bacillus subtilis (枯草菌)由来 cold shock protein =RNA シャペロン
の利用)
201 1年認可、 2013 年商用生産開始
Water Efficient Maize for Africa (アフリカ向け水有効利用トウモロ
コシ( WEMA )) Project
パイオニア・ハイブレッド社(デュポンの子会社)
乾燥耐性品種(商品名、 AQUAmax)
マーカーアシスト育種技術を駆使して、乾燥に強いトウモロコシ品種の
形質を導入した通常育種(非遺伝子組換え)品種。 2011 年商品化
![Page 34: 岡山大学資源植物科学研究所 且原真木 Maki Katsuhara (IPSR, Okayama Univ)](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061506/56814d4d550346895dba7e7b/html5/thumbnails/34.jpg)
Salinity stressSalinity stressSalinity stressSalinity stress
Osmotic stressIonic stress(K+ deficiency/ excess Na+ influx)
Inhibitions of: water uptakecell elongationleaf development
Dehydration
Ion homeostasisNa+ extrusion/compartmentation/K+ reabsorption
Osmotic adjustmentAccumulations of ions/solutes/organic compounds
<Signal transduction>
(Cell death)
Inhibitions of: photosynthesisprotein synthesisenzyme activity
Na+ toxicity
A schematic summary of the stresses that plants suffer and resultant responses of plants to detrimental effects for survival under high salinity.
Drought stressDrought stressDrought stressDrought stress