植物の呼吸と栄養摂取を制御するメッセンジャーを解明(Messenger signals that cue plants to ‘eat’ and ‘breathe’ revealed for first time)

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2025-08-25 ペンシルベニア州立大学(PennState)

ペン州立大学のSarah Assmann 教授らによる国際研究チームは、初めて植物が「食べて呼吸する」—すなわち光合成と蒸散を調整する—過程を制御する内部の分子“メッセンジャー”を特定しました。研究はシロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana)やニンジンの一種であるVicia faba(ソラマメ)を対象に行われ、光合成を活性化する赤色光下では、葉の細胞間液(アポプラス液)において糖(スクロース、フルクトース、グルコース)およびエネルギー代謝に関与するマレイン酸が増加し、これが気孔(stomata)の開閉を司る膜孔細胞(guard cells)へ信号として機能することを明らかにしました。これを受けて、光と連動した糖の存在が気孔を開き、CO₂の取り込みと水の放出という、植物にとって生命維持と乾燥防止の天秤を調整する役割を果たしていると確認されました。本研究は『Nature Plants』に掲載され、今後の農作物の耐性向上や収量改善への応用が期待されます。

<関連情報>

アポプラスト代謝組学は、赤色光下でのガード細胞のイオン輸送を調節するメソフィル伝達物質としての糖を明らかにする 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

植物の呼吸と栄養摂取を制御するメッセンジャーを解明(Messenger signals that cue plants to ‘eat’ and ‘breathe’ revealed for first time)

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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