画期的な光合成遺伝子の発見が植物の丈を伸ばし、作物科学を進歩させる(Landmark photosynthesis gene discovery boosts plant height, advances crop science)

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2024-12-03 オークリッジ国立研究所(ORNL)

オークリッジ国立研究所(ORNL)とイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の研究者たちは、ポプラの一種であるブラックコットンウッド(Populus trichocarpa)から、光合成を促進し、植物の成長を大幅に向上させる「Booster」と名付けられた遺伝子を発見しました。この遺伝子は、バクテリア、アリ、そして光合成に関与するタンパク質であるルビスコの3つの異なるDNA配列から構成されるキメラ遺伝子であり、進化の過程でポプラに保存されてきました。研究チームは、Booster遺伝子の発現量を増加させたポプラを育成したところ、温室条件下で最大200%の成長促進が見られ、野外条件でも植物の高さが約30%向上することを確認しました。さらに、この遺伝子をシロイヌナズナに導入した結果、バイオマスの増加と種子生産量の50%増加が観察され、他の作物への応用可能性が示唆されています。この発見は、バイオ燃料やバイオ製品の生産性向上に寄与する可能性があります。

<関連情報>

オーファン遺伝子BOOSTERが光合成効率と植物の生産性を高める An orphan gene BOOSTER enhances photosynthetic efficiency and plant productivity

Biruk A. Feyissa, Elsa M. de Becker, Coralie E. Salesse-Smith, Jin Zhang, Timothy B. Yates, Meng Xie, Kuntal De, Dhananjay Gotarkar, Margot S.S. Chen, Sara S. Jawdy, Dana L. Carper, Kerrie Barry, Jeremy Schmutz, David J. Weston, Paul E. Abraham, Chung-Jui Tsai, Jennifer L. Morrell-Falvey, Gail Taylor, Jin-Gui Chen, Gerald A. Tuskan, Stephen P. Long, Steven J. Burgess, Wellington Muchero
Developmental Cell  Available online 3 December 2024
DOI:https://doi.org/10.1016/j.devcel.2024.11.002

Graphical abstract

画期的な光合成遺伝子の発見が植物の丈を伸ばし、作物科学を進歩させる(Landmark photosynthesis gene discovery boosts plant height, advances crop science)

Highlights

  • GWAS on NPQ components from the poplar tree identified an orphan gene BOOSTER (BSTR)
  • BSTR enhances photosynthesis efficiency under steady and fluctuating light
  • Increased expression levels of BSTR improved biomass gains in poplar and Arabidopsis
  • BSTR complements sigma factor-6 defects and facilitates anterograde signaling

Summary

Organelle-to-nucleus DNA transfer is an ongoing process playing an important role in the evolution of eukaryotic life. Here, genome-wide association studies (GWAS) of non-photochemical quenching parameters in 743 Populus trichocarpa accessions identified a nuclear-encoded genomic region associated with variation in photosynthesis under fluctuating light. The identified gene, BOOSTER (BSTR), comprises three exons, two with apparent endophytic origin and the third containing a large fragment of plastid-encoded Rubisco large subunit. Higher expression of BSTR facilitated anterograde signaling between nucleus and plastid, which corresponded to enhanced expression of Rubisco, increased photosynthesis, and up to 35% greater plant height and 88% biomass in poplar accessions under field conditions. Overexpression of BSTR in Populus tremula × P. alba achieved up to a 200% in plant height. Similarly, Arabidopsis plants heterologously expressing BSTR gained up to 200% in biomass and up to 50% increase in seed.

生物工学一般
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