高CO2による植物成長促進は葉緑体のリンのホメオスタシスに依存する

地球温暖化の原因といる空気中の炭酸ガス濃度が増えることは、ある種の植物にとってはバイオマス増収効果があることが分かっている。しかし、それはある濃度までであり、その後は頭打ちになり、減収となる。この論文ではその制御機構の一つとして、葉緑体内のリンが関係していることを解明したと称している。図が細かいのでFig.4だけ引用した。

また、この論文は地球温暖化に関する植物からの警告として大衆受けすると考えたか、The ASPB Signalという目っと広報誌に以下のように、分かりやすく紹介されている。
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大気中の二酸化炭素濃度の上昇は、植物の成長を促進する一方で植物の栄養価を低下させます。世界の栄養と食の安全に大きな影響を世界中にもたらします。

ミシガン州立大学の研究者たちは、植物が気候の変化に適応する新たな方法を発見しました。この情報は、植物が栄養価を維持しながら丈夫に育つために役立つものです。

リンは肥料として使われ、植物の成長に欠かせません。しかし、世界のリンの埋蔵量には限りがあります。
「窒素肥料のようにリンを合成することはできません。」と、農学・自然資源学部農学部のHatem Rouached助教授は言う。

「植物が生きていくためにリンをどのように調節しているのかを より深く理解する必要があります。」

Rouachedと彼のチームは、植物が高いレベルの二酸化炭素にさらされると、植物の新芽と葉に含まれるリンのレベルが低下することがわかりました。

「私たちは、なぜ植物がより多くのリンを取り込まないのかを知りたかったのです」と、Rouachedは言いました。

「そして、リンの減少が、欠陥なのか適応反応なのか、そして、植物が成長し、栄養価の高い食物も提供できるように、それを変える方法があるのかどうかを確かめたかったのです」。

Rouachedと彼のチームは、細胞内レベルで深く掘り下げ、植物が、葉緑体にリンを過剰に供給するのを 回避していることがわかった。二酸化炭素濃度の上昇に対する適応的な反応であることがわかった。

葉緑体は光合成を行う場所であり、太陽光のもとで葉緑素が、植物が成長するための食糧を生産する。

リンはまた、光合成とエネルギー生成に不可欠な物質です。リンは、光合成と細胞のためのエネルギーを作成するために不可欠な部分です。

「私たちの発見で本当に重要なことは
葉緑体に大量のリンを入れるように植物に強制したところ、植物が成長しなくなったということです。と、ルアーチェは述べています。

"我々は、植物が二酸化炭素の上昇下で成長できるようにするためには、植物のフィチン酸レベルの増加を厳密に制御する必要があることを発見しました。"

研究者達は、フィチン酸のレベルがある閾値を超えると、植物は育たなくなることを発見しました。

「この論文は、二酸化炭素の増加から植物の栄養失調を防ぐ方法を議論する必要があることを示した最初の論文です」とRouachedは述べています。

この研究は、9月7日発行の『Current　Biology』に掲載
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以下が本論文です。

　　　
高CO2による植物成長促進は葉緑体のリンのホメオスタシスに依存する

Plant growth stimulation by high CO2 depends on phosphorus homeostasis in chloroplasts

Nadia Bouain, Huikyong Cho, Jaspreet Sandhu, Patcharin Tuiwong, Chanakan Prom-u-thai, Luqing Zheng,
Zaigham Shahzad, and Hatem Rouached

Current Biology (2022), https://doi.org/10.1016/j.cub.2022.08.032

概要
大気中の二酸化炭素濃度が高くなると、光合成速度が向上し、植物のバイオマス生産量が増加する。しかし、CO2が高くなると、光合成や植物の成長に必要な必須栄養素であるリン（P）の蓄積量が減少する。しかし、植物がどのようにしてリンなどの必須栄養素の蓄積を抑えているのかは、いまだ謎に包まれている。本研究では、シロイヌナズナのゲノムワイド関連解析により、高CO2環境下で葉緑体中のリン酸を減少させるトランスポーター（PHT4;3）を同定し、このトランスポーターがリン酸の輸送に関与していることを明らかにした。葉緑体中のリン酸を減少させることで、糖-P代謝産物であるフィチン酸の蓄積を微調整し、植物の生育を支えている。さらに、この適応機構はイネにも保存されていることも明らかにした。本成果は、世界的なCO2濃度の上昇を背景にした持続可能な食糧生産のための機構的な枠組みを構築するものである。


Fig.4の説明

図4. 高CO2レベルにおける糖質P代謝がシロイヌナズナとイネの生育能力を決定する。
(A と B) Col-0 野生型、PHT4;3 を過剰発現した植物（PHT4;3OE-1）、および pPHT4;3Cdc-3::PHT4;3Col-0 または pPHT4;3Cdc-3::PHT4;3Col-0 と PHY-US417 を共 発現した植物について対照群と高 CO2 において平均（±95％信頼区間）のシュートフィチン酸（A）と表現型（B） を示す。データは1回あたり8〜10株で3回の実験から得たものである。
(C と D) 28 日齢の野生型イネ、pht2,1 変異体（Ospht2,1）、OsPHT2 を過剰発現した植物（OsPHT2,1OE-1）、および OsPHT2 とフィターゼ PHY-US417 を共同過剰発現した植物をコントロールおよび高CO2下で栽培したものの表現型（C）および平均（±95％信頼区間）シュートフィチン酸(D) を示す。実験は3回繰り返し、1回の実験につき3-5株で行った。スケールバー、9cm。
(A) および (D) については、文字は p < 0.05 での有意差を表す (Duncan post hoc test を伴う一元配置分散分析)。

Fig.4