DEP1は、イネ（Oriza sativa L.）の穀物の収量と品質に影響を与える炭素-窒素代謝バランスの調節に関与している。

DEP1 is involved in regulating the carbon-nitrogen metabolic balance to affect grain yield and quality in rice (Oriza sativa L.).

• Mingzhu Zhao
• Minghui Zhao
• Shuang Gu
• Jian Sun
• Zuobin Ma
• Lili Wang
• Wenjing Zheng
• Zhengjin Xu

抄録

イネの直立パニクル構造に対応するDEP1遺伝子は、イネの穀物収量と窒素利用効率（NUE）の向上に多元的な効果を示す。しかし、dep1対立遺伝子が窒素の取り込みと同化を促進することで、炭素と窒素の代謝バランスが変化するのかどうかは不明であった。本研究では、dep1 を過剰発現させたアキタコマチのトランスジェニック植物を作出し、炭素-窒素代謝状態、遺伝子発現プロファイル、穀物の収量と品質を解析した。その結果、dep1を過剰発現させた株では、低窒素または高窒素生育条件下では、炭素-窒素代謝バランスは茎鞘や葉では破綻していたが、穀粒では破綻していなかった。しかし、リブロース-1,5-ビスフォスフェートカルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ(RUBISCO)とホスホエノールピルビン酸カルボキシラーゼ(PEPC)遺伝子は、dep1過剰発現株ではダウンレギュレーションされており、炭水化物含量と炭素/窒素比が低下した。炭素-窒素代謝のアンバランスは、dep1-過剰発現株では、充填率、整粒率、1000 粒重量、穀物品質を低下させたが、パニクルあたりの穀物数を増加させ、その結果、穀物収量を増加させることができた。これらの結果から、炭素-窒素代謝状態のアンバランスが、直立パニクル品種の穀物収量と品質をさらに向上させるための主要な制限要因であることが示唆された。

The DEP1 (dense and erect panicle 1) gene, which corresponds to the erect panicle architecture, shows a pleiotropic effect in increasing grain yield and nitrogen use efficiency (NUE) in rice. Nevertheless, it remains unclear whether the carbon-nitrogen metabolic balance changes as the dep1 allele enhances nitrogen uptake and assimilation. In this study, we generated transgenic Akitakomati plants by overexpressing dep1 and analyzed the carbon-nitrogen metabolic status, gene expression profiles, and grain yield and quality. Under either low or high nitrogen growth conditions, the carbon-nitrogen metabolic balance of dep1-overexpressed lines was broken in stem sheaths and leaves but not in grains; the dep1-overexpressed plants showed higher expressions of glutamine synthetase (GS) and glutamate synthase (GOGAT) genes than the wildtype, along with increased total nitrogen and soluble protein content in the straw at maturity. However, the ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RUBISCO) and phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC) genes were downregulated in dep1-overexpressed plants, leading to a decreased carbohydrate content and carbon/nitrogen ratio. Although the unbalanced carbon-nitrogen metabolism decreased the grain-filling rate, grain setting percentage, 1000 grain weight, and grain quality in dep1-overexpressed lines, it led to increased grain numbers per panicle and consequently increased grain yield. Our results suggest that an unbalanced carbon-nitrogen metabolic status is a major limiting factor for further improving grain yield and quality in erect panicle varieties.