赤色光による気孔開口の分子機構を解明~ショ糖の増加が細胞膜プロトンポンプのリン酸化を促進~

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2025-08-26 名古屋大学

名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所と理化学研究所らの国際共同研究グループは、植物が赤色光に応答して気孔を開口する分子機構を初めて解明しました。研究では、葉肉細胞の光合成で生合成されたショ糖がアポプラストに蓄積し、孔辺細胞へ移動することを発見。ショ糖は細胞膜プロトンポンプのC末端スレオニン残基をリン酸化して活性化し、同時に気孔閉鎖を誘導する陰イオンチャネルを不活性化することで、赤色光依存的な気孔開口を引き起こしていました。従来、青色光による開口機構は解明されていましたが、赤色光の詳細は不明でした。本成果は、光合成・気孔制御の理解を深め、気孔開度を制御した作物開発や乾燥耐性植物の設計に役立つ可能性があります。研究成果は『Nature Plants』に掲載されました。

赤色光による気孔開口の分子機構を解明~ショ糖の増加が細胞膜プロトンポンプのリン酸化を促進~

<関連情報>

アポプラストのメタボローム解析による赤色光による気孔開口における葉肉メッセンジャーの解明 Apoplastic metabolomics reveals sugars as mesophyll messengers regulating guard cell ion transport under red light

Yotam Zait,Mengmeng Zhu,Eigo Ando,Yunqing Zhou,Adi Yaaran,Sunheng Yon,Mami Okamoto,Yuki Hayashi,Masami Y. Hirai,Timothy Jegla,Toshinori Kinoshita,Sixue Chen & Sarah M. Assmann
Nature Plants  Published:25 August 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41477-025-02078-7

Abstract

Guard cell pairs in the leaf epidermis enclose stomata, microscopic pores mediating CO2 uptake and water loss. Historical data suggest that signals from interior mesophyll tissue may modulate guard-cell regulation of stomatal apertures, but the molecular identity of any metabolite-based signals has remained elusive. We discovered that extracellular (apoplastic) fluid from Arabidopsis thaliana and Vicia faba enhances red-light-induced stomatal opening. Our extensive metabolomics analyses identified 448 apoplastic metabolites; among these, both sugars (photosynthetic products) and maleic acid increased under red light and caused enhanced stomatal opening. Immunohistochemical assays demonstrated sucrose upregulation of H+-ATPase phosphorylation, indicating increased ATPase activity. Patch clamp assays revealed that sucrose inhibits slow anion currents, thus opposing anion efflux. These impacts occurred at sucrose concentrations matching those present endogenously under red light. These regulatory influences promote guard-cell solute import and retention, which drive stomatal opening. Our research thus addresses the decades-long question concerning the existence, identity and mechanistic impact of mesophyll messengers that coordinate photosynthesis with stomatal response.

生物化学工学
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