イネの細胞質型グルタミン合成酵素の代謝バランス調節機能を解明

窒素、リン酸、カリは植物の3大栄養源で、生育や実りには欠かせません。多くの植物は、窒素栄養源に硝酸を利用しますが、水田で育つイネは、水中に溶け込んだアンモニウムを利用しています。無機物であるアンモニウムをアミノ酸の1つグルタミンへ変換するには、グルタミン合成酵素（GS）が必要ですが、イネには、細胞質に局在するGS1酵素と葉緑体に局在するGS2酵素が存在します。

GS2酵素は、光合成と同時に起こる光呼吸由来のアンモニウムの再利用（同化）に必要です。一方GS1酵素は、イネの生育に必須な酵素として知られていますが、この酵素をコードするGS1;1遺伝子と窒素や炭素が関わる代謝ネットワークとの関係は不明なままでした。

植物科学研究センターメタボローム機能研究グループと東北大学大学院農学研究科は、このGS1;1酵素が、根から取り込んだアンモニウムを同化するために必須な酵素であるとともに、窒素代謝や炭素代謝のバランス維持にも寄与していることを初めて明らかにしました。

研究グループは、植物が無機栄養源から直接合成する多様な代謝物群を一斉に分析することができる「ガスクロマトグラフ-飛行時間型質量分析計（GC-TOF-MS）」を駆使してメタボローム解析技術を行い、GS1;1遺伝子を破壊した変異型イネと野生型イネを比較しました。その結果、変異型イネの葉鞘（ようしょう）と葉身では、糖類の過剰蓄積、アミノ酸類とクエン酸回路の代謝物量減少、一方根では、窒素含有二次代謝物群の蓄積を観察しました。また、代謝物ー代謝物相関解析を行ったところ、変異型のイネでは窒素含有二次代謝物の1つトリプトファンと、他の一次代謝物との間で新規の代謝ネットワークを形成していることが分かりました。今後、他のGS1遺伝子の役割も調べることで、イネの窒素利用のメカニズム解明やコメの生産性向上に貢献できると期待されます。