成果報告書詳細
管理番号20140000000155
タイトル平成21年度-平成24年度成果報告書 新エネルギー技術研究開発 バイオマスエネルギー等高効率転換技術開発(先導技術開発) エネルギー植物の品種改良に係わる代謝情報と遺伝子発現情報に関する研究開発
公開日2014/5/2
報告書年度2009 - 2012
委託先名公益財団法人かずさDNA研究所  独立行政法人理化学研究所 国立大学法人京都大学
プロジェクト番号P7015
部署名新エネルギー部
和文要約 エネルギー植物の遺伝子情報、代謝産物情報は乏しいので、本研究では、最新の遺伝子解析装置、質量分析装置、NMRなどを駆使して各種のエネルギー植物を解析し、それらのデータをデータベースとして蓄積した。エネルギー植物エリアンサスの遺伝子発現解析では、節間、葉での発現を比較検討し、リグニン、細胞壁合成遺伝子の動向を解明した。分子育種チームが対象としているエネルギー植物スイッチグラス、ユーカリおよびモデル植物シロイヌナズナでは、遺伝子組換えによる遺伝子発現の変化を定量的に解釈した。バイオ燃料原料の主要成分であるリグノセルロースは難溶性の高分子混合物であるが、微粉砕化でDMSO系溶媒への可溶化が可能となり、リグニン架橋構造やヘミセルロース成分の構造・組成評価がNMRを用いて可能となっている。そこで、この手法を11種類のエネルギー草本や樹木に適用し、得られたNMR解析データは閲覧システムBm-Char(https://database.riken.jp/ecomics/biomass/)に蓄積した。加えて、固体状態のままの計測が可能なMAS法によるデータのマイニング技術も開発し、セルロース系材料を詳細に解析した。リグニンは、細胞壁多糖をバイオ燃料に変換する際に阻害的に働くことが知られているが、従来のリグニン化学分析法は、多量の試料量が必要、或いはスループットが非常に低いという問題を抱えていた。本研究では、リグニンの芳香核構成(S/V比)の分析法であるニトロベンゼン酸化分解法及びリグニンに特徴的なβ-O-4構造由来の分解生成物を与えるチオアシドリシス法のミクロスケール法を開発し、それぞれのスループットを従来法の約10倍まで上昇させることに成功し、数種のエネルギー植物のリグノセルロースについて詳細に分析した。エリアンサスの各器官におけるリグノセルロースの分析では、茎・外側の酵素糖化性がリグニン量によって阻害される一方、茎・内側の酵素糖化性はリグニンの量だけでなく、リグニンの構造によっても変動するという新しい知見を見出した。エリアンサスの節間サンプルを用いて、精密質量分析装置LC-Orbitrap-MSによるメタボローム解析を行い、1182種類の代謝産物の帰属を明らかとした。スイッチグラス5品種について質量分析装置GC-TOF-MSによる代謝物の網羅的分析を行い、同じイネ科植物であるエリアンサスと代謝レベルでの相違点を解明した。ヤトロファ果実の比較メタボローム分析を行い、果実成熟の進行に伴うダイナミックな代謝産物変動を見いだした。日本製紙から提供された形質転換ユーカリ(308検体)、形質転換ポプラ(77検体)のグリシンベタイン含量の測定を行い、耐塩性とグの相関を明確に示すことができた。また、大阪大学から提供された形質転換ヤトロファでは有意にグリシンベタイン含量が高いことを示した。本プロジェクトで解析したメタボローム情報は、NEDOバイオマスプロジェクト専用のデータベースMassBaseおよびKomicMarketに格納し、本プロジェクトメンバーが閲覧できるようにした(これらのデータはプロジェクト終了後に公開する予定)。遺伝子発現情報とメタボローム情報を統合することを目的として、NEDOバイオマスプロジェクト専用のKaPPA-View4 Biofuels(http://kpv.kazusa.or.jp/kpv4-bf/)を構築した。これにより、代謝経路や遺伝子制御のネットワークの研究が可能となった。
英文要約Many plant species have attracted attention as potential feedstocks for biofuel. However, the available genetic and metabolic information on most of these plants is, in general, limited. Therefore, this project had focused on genetic and metabolic analyses of energy producing plants and integrated these data in databases. To understand gene expression of Erianthus, switchgrass and Eucalyptus, RNAseq analysis was carried out using a giga-sequencer Genomu Analyzer IIx (Illumina). Lignocellulose is low-solubility biomacromoleucles, therefore it has been generally analyzed using decomposed monomer states. However, NMR approach can be applied to elucidate lignin substructures and hemicellulose structure and compositions to the ball-milled lignocellulose solubilized with DMSO solvent system. During this year, we have developed new web site Bm-Char (https://database.riken.jp/ecomics/biomass/), it contains database of NMR signals and query of chemical group of lignocellulose components. Furthermore, we have performed tissue-specific biomass profiling using solution-NMR technique for Erianthus and Jatropha cucus L. In addition to this, a new data mining method specialized for solid-state MAS spectra of cellulosic materials was also developed as an alternative platform technology for solid-biomass analysis. Lignin is a major component of the secondary cell wall of vascular plants, and is an obstacle in the conversion of plant cell wall polysaccharides into biofuels. However, little is known about lignins of energy producing plants. In addition, conventional lignin analysis methods have several drawbacks, including the requirement for a large amount of sample material and the rather slow completion of the reaction process. In this study, among lignin structural analysis methods, we established the microscale protocols of the nitrobenzene oxidation method, which is used for measurement of lignin aromatic components (S/V ratio), and the thioacidolysis method, which is used for detection of β-O-4 substructure, respectively. The throughput of these protocols were ten-folds higher than that of conventional protocols. Furthermore, we analyzed cell-wall components (lignocellulose) of some energy producing plants. Especially, in the study using large-size gramineous plant, Erianthus arundinaceus, we found a new knowledge that enzymatic saccharification efficiency of outer part of internode was inhibited by lignin content, while that of inner part of internode was inhibited by not lignin content but lignin structure. Metabolome analyses of Erianthus, switchgrass and Jatropha and genetically modified eucalyptuses and poplars were carried out using state-of-art mass spectometries. The genetic and metabolomics data are deposited into the databases, KaPPA-View4 Biofuels (http://kpv.kazusa.or.jp/kpv4-bf/), MassBase (http://webs2.kazusa.or.jp/massbase_bfpj/) and KomicMarket (http://webs2.kazusa.or.jp/km_bfpj/).


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