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研究内容

植物は太陽光をエネルギー源として、水と二酸化炭素、そして土壌から吸収する無機物を、生命活動に必要な有機物に変換します。この光エネルギー・物質変換反応、即ち、光合成は地球の環境と物質循環を支え、我々人類の持続可能社会を実現する上でも根幹となる反応です。私たちの研究室では、植物の光合成を支える分子機構と、その応用開発を目指して研究を行っています。また、植物の生長を支える無機栄養の機能についても、特にホウ素とカリウムに関する研究を行っています。

1.光合成のしくみを分子レベルで理解し利用する

光合成研究に革新を生むためには分子レベルでの反応機構の基礎研究が欠かせません。これまでに、水分解―酸素発生を行う光化学系IIの反応制御機構、集光調節機構などを明らかにしてきました。さらに陸上で繁栄する緑色植物だけでなく、海洋で支配的な紅色進化系統の微細藻類の光合成についても、その特性を研究しています。こうした研究を通して、変動する地球環境に対応できる柔軟性と回復力(レジリエンス)を植物の光合成に付与し、食料やエネルギー問題の解決につなげることを目標に研究しています。

2.植物の環境ストレス応答の仕組みを理解する 

酸素は我々の生命活動に必須ですが、余分な電子やエネルギーを受け取ると危険な「活性酸素」(Reactive Oxygen Species: ROS)となります。光合成では、酸素を発生しながら大量の電子が生体膜中を通るため、植物はROS発生を抑制し、かつ、ROSを迅速に消去する仕組みを有します。そしてその頑健性こそが植物の環境ストレスに対するレジリエンスの鍵となります。そこで様々な非破壊測定を通して、植物のROSに対応する仕組みと能力を解析しています。こうした研究は、新しい栽培管理法や育種指標の開発など、応用利用にもつながります。

3.微細藻類の光合成を利用した物質変換系の開発

光エネルギーを利用して二酸化炭素を有用物質に変換する系として、微細藻類を利用した研究を進めています。中でも、海洋で繁栄し、漁業資源としても利用されている実用藻類ツノケイソウ(Chaetoceros 属)に着目しています。これまでにゲノム解読、新規形質転換系の開発、光化学系の構造解析、ゲノム編集による遺伝子機能解析に成功し、日本発のモデル実用藻類として利用開発を進めています。

4.植物の生長を支える無機栄養素の役割を知る 

土壌中には植物の生育に不可欠な無機栄養が含まれ、それらが不足すると様々な生理障害が発生し、作物の収量や品質が著しく低下します。そうした欠乏の早期発見や、欠乏に耐性の高い品種の選抜に役立つ知見を得るため、無機栄養欠乏時の植物細胞の応答や変化を分子・細胞レベルで解析し、障害が発生する機作を明らかにすることを目指しています。

4-1. ホウ素、カルシウム、細胞壁、ホウ素過剰
これまでに高等植物の必須元素ホウ素は、ホウ酸の形で細胞壁のペクチン質糖鎖を架橋すること、この架橋にはカルシウムも配位することを明らかにしました。現在、この研究は植物細胞でホウ素がどのような機能を果たしているのかという研究に発展しています。

4-2. 低炭素時代の食料生産
世界人口の急激な増加から、食料増産が求められています。しかしながら大量の化学肥料製造には多くの資源とエネルギーが必要であり、さらに過剰な肥料投入は環境の富栄養化をもたらします。環境保全と食料増産という二つの相反する要求の解決を目指して、メタン発酵廃棄物を用いた施肥法の検討、緩効性肥料としてのビウレットの検討、カリウム要求量の少ないイネの育種、などの研究を行っています。