世界初!葉緑体ゲノム編集でRubiscoを強化し光合成と植物生産性の向上に成功 ――光合成を設計する次世代植物育種技術への期待――

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2026-06-19 東京大学

東京大学を中心とする研究グループは、葉緑体ゲノム編集技術を用いて光合成の中心酵素Rubiscoの機能を強化し、光合成能力と植物生産性の向上に世界で初めて成功した。Rubiscoは植物のCO₂固定を担う重要酵素だが触媒効率が低く、作物生産性向上の大きな制約となっていた。本研究では、葉緑体ゲノム上のRubisco大サブユニット遺伝子(rbcL)に単一アミノ酸置換を導入し、酵素量を維持したまま触媒速度(kcat)を向上させた。その結果、現在および将来予測される高CO₂環境下で光合成速度、バイオマス、生育量、種子収量が増加した。さらにクライオ電子顕微鏡解析により、活性中心から離れた部位の変異が酵素構造の柔軟性を高め、機能向上をもたらす新たな分子機構も示された。外来遺伝子を残さない精密な葉緑体ゲノム編集によって光合成能力を高めた本成果は、作物の高収量化や食料増産に加え、炭素固定能力の向上によるCO₂削減やカーボンニュートラル実現にも貢献する次世代分子育種技術として期待される。

世界初!葉緑体ゲノム編集でRubiscoを強化し光合成と植物生産性の向上に成功 ――光合成を設計する次世代植物育種技術への期待――
本研究のイメージ図
葉緑体ゲノム編集による高機能Rubiscoの創出で光合成と植物生産性の向上に成功© ウチダヒロコ

<関連情報>

ルビスコの葉緑体ゲノム編集は光合成と植物の成長を促進する Chloroplast genome editing of Rubisco boosts photosynthesis and plant growth

Wataru Yamori,Issei Nakazato,Yuchen Qu,Yukina Sanga,Tomoko Miyata,Ryo Uehara,Yuma Noto,Keiichi Namba,Hiroshi Fukayama,Hiroyoshi Matsumura & Shin-ichi Arimura
Nature Communications  Published:19 June 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-73783-w

Abstract

Photosynthetic inefficiencies limit the productivity and sustainability of crop production and the resilience of agriculture to future societal and environmental challenges. Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco) has inherently low catalytic efficiency, making it a key target for photosynthesis and crop improvement. However, introducing mutations to the chloroplast-encoded Rubisco large subunit (rbcL), which contains the enzyme’s catalytic sites, is technically challenging. In this study, we successfully generate a range of chloroplast-genome-edited Arabidopsis thaliana plants targeting rbcL by a targeted base editor, ptpTALECD. The M309I and D397N substitutions in rbcL result in an increased Rubisco catalytic rate (kcat) without any reductions of Rubisco content, thereby enhancing photosynthetic rates and plant growth under both current atmospheric CO2 concentrations (i.e., 381 μmol mol−1) and projected future concentrations (i.e., 549 μmol mol−1). Cryo-electron microscopy structural analysis shows that the M309I and D397N substitutions, although located far from the catalytic site, induce structural alterations in the catalytic (60 s) loops. Our findings highlight the potential of Rubisco engineering to improve plant photosynthesis and growth, and underscore the unique opportunities that chloroplast genome editing offers for enhancing photosynthesis and crop productivity and reducing atmospheric CO2 levels in a non-GMO context.

細胞遺伝子工学
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