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岡山大学資源植物科学研究所 且原真木 Maki Katsuhara (IPSR, Okayama Univ)

2013 年度 生物生産科学フロンティア講義 X （ 051311) 植物と水の細胞分子生理学 Molecular and Cell Physiology of Water in Plants （ 21, June 2013 ）. 岡山大学資源植物科学研究所 且原真木 Maki Katsuhara (IPSR, Okayama Univ). 岡山大学資源生物科学研究所. 創設者　初代理事 大原孫三郎氏. 99. 大原農業研究所. 農業生物研究所. 資源生物 科学研究所. 資源植物 科学研究所.

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Presentation Transcript

  1. 2013年度 生物生産科学フロンティア講義X （051311)植物と水の細胞分子生理学Molecular and Cell Physiology of Water in Plants（21, June 2013） 岡山大学資源植物科学研究所 且原真木 Maki Katsuhara (IPSR, Okayama Univ)

  2. 岡山大学資源生物科学研究所 創設者　初代理事大原孫三郎氏 99 大原農業研究所 農業生物研究所 資源生物 科学研究所 資源植物 科学研究所 1914 1952 1988 2004 20102013 （大3）　　　　　　　　　　　　　　　（昭27）　　　　　　　　　　　　　　 （昭63）　 （平16） （平22）（平25） 私立　　　　　　　　　　　国立　　　　　　独立法人

  3. Molecular base of water uptake in plant cells: Aquaporins 細胞が水を吸収するための分子基盤である植物アクアポリンについて、その機能、ストレス応答、活性制御についての最近の研究成果を紹介する。またアクアポリンは水以外のさまざまな低分子化合物の輸送にも関与していることや、アクアポリン研究のアウトプットについても述べる。 Part１植物生産における水と地球規模での水危機 水関連ストレス(塩ストレス） Water in plant production and water on the Earth Water (salt) stresses Part ２水ポテンシャル、アクアポリンの機能・構造 Water potential, Function and structure of aquaporins Part ３アクアポリン研究の成果 Progresses in aquaporin research Part ４アクアポリンによる中性低分子化合物輸送 アクアポリン研究のアウトプット Neutral low molecular-weight compounds Output of aquaporin research

  4. 植物生産における水と地球規模での水危機 Water issue 「人口７０億人時代の食糧戦略」　 （日経サイエンス　２０１２年３月号）

  5. ＊　分配の問題 (Distribution issue) 23億ton （年間穀物生産量） ÷ 70億人 （世界の人口）⇒　 328kg/person※1人当たり1年間の標準量は　180kg http://www.chikyumura.org/environmental/earth_problem/food_crisis.html ＊　増産の必要性 Increase in production Hunger map http://www7b.biglobe.ne.jp/~sumida/Food.html

  6. 「人口７０億人時代の食糧戦略」　 （日経サイエンス　２０１２年３月号） • Increase of productivity in low-output lands • Increase of water and nutrition use efficiencies

  7. 世界の水問題Global water crises • 人口増加と社会の発展Increase of population and socialdevelopment • 生活用水/農業用水不足Shortage of water foir life and agriculture • 生態系への影響（水の汚染)Environmental problem (wter pollution) • 氾濫地域への居住人口↑（洪水被害の増大）Population in flood area 世界の水需要と見通し Global water demand (perspective)

  8. 干ばつ Drought 地下水枯渇 Shortage of ground water 洪水 Flood 雪解け水減少 Thawing water decrease 海面上昇 Sea level elevation Water crisis

  9. 環境・人口問題：12分類「銃・病原菌・鉄」、「文明崩壊」著者 J.Diamondによる（２０１２年１月３日朝日新聞） • 自然破壊 • 漁業資源の枯渇 • 種の多様性喪失 • 土壌侵食 • 化石燃料の枯渇 • 水不足 • 光合成で得られるエネルギーの限界 • 化学物質汚染 • 外来種の被害 • 地球温暖化 • 人口増 • １人当たり消費エネルギーの増加 Water shortage

  10. 日本の水事情 Water in Japan Daily life water (Litter/person・day) Daily life water (x108m3/year) Agriculture Industry Daily life 一人一日平均 約2000リットル！ (2000L/person・day)

  11. 世界の水を使う日本（Virtual Water） • 日本は多くの食料を輸入に依存している（Import) • 食糧を生産するのには多くの水が必要食パン(Bred)１斤：500～600 little 牛丼一杯(Beef bouwl)：約2000 little Beef：１５００ littleOnion：a few little Rice：５００ littele Virtual water import Wheat and barley Beef 第3会世界水フォーラム事務局資料より （http://eco.goo.ne.jp/business/csr/ecologue/wave16.html）

  12. 地球にある「水」の分布と量 Water in the Earth 地球の直径＝約１万３０００km (Diameter of the Earth) (ice) (freshwater lake and river) (all water) (ground water) (soil water) (fresh water) (salt water) (lake) 「みずものがたり」（ダイヤモンド社）より

  13. 朝日放送（テレビ朝日系）2008年3月9日放送

  14. 世界の水問題の深刻化は、私たちに無関係ではありません。Global water crisis links to us • 「農業灌漑は莫大な水を消費する。灌漑用水を１０％減らせば、他の用途で使用される水全体より多くの水を節約できる。」10% reduction of irrigation water saves more than all others（前出　日経サイエンス２００８年１１月号）(Scientific American)

  15. 植物科学からのアプローチ Plant Science 乾燥耐性（水の効率的利用）、耐塩性の解明と応用 Drought/salt tolerance (efficient water usage) 水吸収／輸送の分子機構解明Mechanism of water uptake/transport

  16. 水関連ストレス(塩ストレス） Water stress (salt stress) （生物が使える）水の欠乏(lack of water)する場所 水が凍結(frozen) 　寒冷地 (cold district) 　陸地の約1/3 降雨(rain)＜蒸発(Evaporation) 　沙漠（砂漠）desert 　陸地の約1/3 蒸発(evaporation)　→　乾燥　↓ (drought) 塩分が残る・・・ 高塩濃度によるストレス (salt remains) (salt stress)

  17. Mineral 山陽新聞 2011年4月3日 Tsunamai Mineral Na+ Na+↑ Water Water↓ Water (Dehydration)

  18. Salinity stress Drought stress Ionic stress (K+deficiency／excess Na+ influx) Osmotic stress Aquaporin Ion transporters Dehydration Na+toxicity Inhibitions of: water uptake cell elongation leaf development Inhibitions of: photosynthesis protein synthesis enzyme activity <Signal transduction> (Cell death) Ion homeostasis Na+ extrusion/compartmentation/ K+ reabsorption Osmotic adjustment Accumulations of ions/solutes/organic compounds Recovery/Adaptation A schematic summary of the stresses that plants suffer and resultant responses of plants to detrimental effects for survival under high salinity.

  19. Death Valley (USA)

  20. New South Wales (Australia)

  21. ←　管理　再生 管理失敗　荒廃

  22. Salinity in Australia http://www.youtube.com/watch?v=a1nqiOpz1Xc

  23. Salinity in Australia http://www.youtube.com/watch?v=a1nqiOpz1Xc Australian Plant Phenomic Facility (Stress Physiology Research) Plant Accelerator http://www.plantaccelerator.org.au/

  24. One strategy to salt/draught stressCAM (Crassulacean Acid Metabolism) （Ｃ３型） （ＣＡＭ型） PEPCase as same in C4 Malate Accumulation in CAM Plants ＣＡＭ:Stomatal Open at Night →　Less Water Loss

  25. C３／CAM変換 • “Ice”is bladder cells in Mesembryanthemum crystallinum 。 • Growth in winter (C3) → CAM induction in early summer • Salt stress accelerate CAM induction Mesembryanthemum crystallinum (ice plant) Plant Physiology 94:1137, 1990

  26. One of 2 PEPCase induction during CAM induction. • High salinity tolerance; possible use for the remediation of salinity lands. Bladder cells Plant Cell 1:715, 1989

  27. Na transporters in Arabidopsis ＡｔＨＫＴ１とＳＯＳ１の植物体内での生理的役割（today’s model） ＡｔＨＫＴ１ transports only Na+ (not K+).

  28. In Rice: Primary protective mechanisms mediated by Na+ transporters on important biological membranes Rice誌5：11 (2012)) Apoplastic bypath flow NOTE: Difference among plants

  29. OsHKT2;1 : K + -independent Na + transport OsHKT2;2： K + -dependent Na + transport N + -dependent K + transport K+欠乏下で発現→K +の代替をするNa +輸送(EMBOJ 26:3003, 2007) （多量のNa +があると、もっぱらNa +を輸送） Physiological replacement of Na + to K + under K + deficient condition (Some plants). Plant Physiology152:341, 2010 （タバコ培養細胞に発現させて測定） （「植物栄養学」第２版）

  30. Other approach to salt/draught tolerance →　乾燥耐性というか節水型トウモロコシ　（米国) モンサント社のMON87460（商品名、Drough-Gard）（Bacillus subtilis（枯草菌）由来cold shock protein =RNAシャペロンの利用） 201１年認可、2013年商用生産開始 Water Efficient Maize for Africa　　（アフリカ向け水有効利用トウモロコシ（WEMA））　Project パイオニア・ハイブレッド社（デュポンの子会社） 乾燥耐性品種（商品名、AQUAmax) マーカーアシスト育種技術を駆使して、乾燥に強いトウモロコシ品種の形質を導入した通常育種（非遺伝子組換え）品種。2011年商品化

  31. Salinity stress Drought stress Ionic stress (K+deficiency／excess Na+ influx) Osmotic stress Dehydration Na+toxicity Inhibitions of: water uptake cell elongation leaf development Inhibitions of: photosynthesis protein synthesis enzyme activity <Signal transduction> (Cell death) Ion homeostasis Na+ extrusion/compartmentation/ K+ reabsorption Osmotic adjustment Accumulations of ions/solutes/organic compounds Recovery/Adaptation A schematic summary of the stresses that plants suffer and resultant responses of plants to detrimental effects for survival under high salinity.

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