成果報告書詳細
管理番号20150000000743
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) バイオ燃料植物ヤトロファの油脂生産最適化技術の開発
公開日2015/11/25
報告書年度2009 - 2012
委託先名株式会社植物ハイテック 国立大学法人鳥取大学 国立大学法人琉球大学
プロジェクト番号P07015
部署名新エネルギー部
和文要約平成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)「バイオ燃料植物ヤトロファの油脂生産最適化技術の開発」

 ヤトロファは、乾燥地などの非耕作地でも生育可能な非食料型の油脂作物であり、次世代型のバイオ・ディーゼル植物として注目される。ヤトロファの油脂生産性とバイオマス付加価値を強化することを目的として、本研究開発では、(1)ヤトロファ油脂生合成の分子メカニズムの解明と、(2)ヤトロファ・バイオマスの有効活用に向けた技術開発および栽培管理技術の確立、そして(3)ヤトロファ遺伝子組換え技術の確立とヤトロファ油脂の代謝工学技術確立について開発研究を行い、以下の成果を得た。(1)ヤトロファ脂質合成代謝制御の全体像を解明するために、ヤトロファ雄花および雌花の開花時期から果実の収穫期までの代謝産物の動態と、遺伝子発現との関連を網羅的に解析した。その結果、果実の成熟に伴い、蓄積するバイオマス成分がデンプンから低分子糖類、さらに脂肪酸トリグリセリドへと経時的に変化し、大規模な代謝調節が協調して行われていることが判明した。この大規模代謝変動を担う遺伝子制御を解明するため、約3千7百万リードのcDNA配列を解読し、総計で約4万種類の配列情報を取得した。115種の代謝経路群が異なるタイミングで活性化されバイオマス蓄積に貢献することが示されたほか、脂質生合成に関与する転写制御因子が登熟の最終段階で活性化されるなど、分子育種により生産性を改善するうえでの分子情報を取得することに成功した。(2)ヤトロファ栽培において大量に産出される非油脂バイオマス画分(搾油かす・葉・茎・果肉等)の潜在的に豊富なバイオマス資源について、これらの素材を安全に処理し、エネルギーおよび資源として有効活用するための技術基盤を開発した。植物成長調節剤の処方および樹形管理により、ヤトロファの果実収量および着果時期を人為的に制御するための技術開発を行った。更に、多収系統として開発されたインドネシア選抜系統(IP-1P、IP-2P、IP-3P)の光合成特性と、成長解析法によりバイオマス生産特性を明らかにした。(3)ヤトロファ遺伝子組換えの技術確立と脂肪酸代謝工学については、葉緑体ゲノム工学と核ゲノム形質転換の双方の手法開発を行った。葉緑体ゲノム工学については、標的遺伝子をヤトロファへ相同組換えにより導入するための葉緑体形質転換ベクターを計6種類開発すると共に、ヤトロファ本葉の脱分化と再分化を誘導する組織培養方法を構築し、薬剤選抜濃度を決定した。遺伝子銃を用いて葉緑体形質転換を試みた結果、遺伝子の導入効率が非常に悪いなどヤトロファ葉緑体工学技術に係る今後の課題が残るが、aadAとAccDの過剰発現カセットの導入が示唆されるヤトロファカルスを3個体作製できた。一方、ヤトロファ核ゲノム形質転換の技術開発では、薬剤bispyribacと耐性遺伝子mALSによる組換え体の作出手法が、従来の技術手法に比べて形質転換の効率が高いことを見出した。また、可視化マーカーとしてYFPを利用することにより、組換え体と偽陽性個体との判別効率が顕著に改善することを見出した。さらに、バイオ・ディーゼルの原材料として好適なオレイン酸含量を高めるため、オレイン酸からリノール酸への変換を触媒するΔ12-desaturase遺伝子の発現を抑制するRNAiベクターを構築し、同コンストラクトを導入したヤトロファ形質転換植物個体を得た。以上のように、ヤトロファ・バイオディーゼル原材料の生産システムの強化に資する、様々な要素技術の確立に至った。
英文要約Title: New Energy Technology Development Development of Technology for High-efficiency Conversion of Biomass and Other Energy Development of preparatory Basic Bioenergy Technologies Optimization of Biodiesel Production for Jatropha curcas (FY2009-FY2012) Final Report

Jatropha produces a large amount of lipid-containing seeds in arid climates and is regarded as one of the most promising biodiesel feedstock over the near term. To maximize its productivity, it is necessary to improve its lipid composition and develop techniques to increase Jatropha oil production. Towards this goal, the strategies undertaken in this project involved (1) elucidation of Jatropha oil-producing mechanism by metabolome- and transcriptome-based molecular profiling of Jatropha during fruit maturation (2) development of techniques for Jatropha cultivation management and efficient use of Jatropha non-oil biomass in safety, and (3) technical establishment of efficient plastid/nuclear genetic transformation protocols and metabolic engineering for fortification of high-quality Jatropha oil. We obtained the results as described below. (1) Metabolic change and gene expression pattern in developing Jatropha fruit from flowering to maturation were investigated, which revealed dynamic changes in the composition and amount of major metabolites during Jatropha fruit formation. Analysis of RNA sequences of 36.9 million reads showed that 115 of metabolic pathways, including those for fatty acid and phorbol ester biosynthesis, were transcriptionally regulated in a complex manner during Jatropha fruit development. (2) We established the techniques for efficient and safe utilization of non-oil biomass generated during cultivation (seed cakes, pruned stems and leaves, fruit shells, etc). We also developed protocols for pruning-based canopy management and phytohormone treatment to control flowering and fruit production. In addition, photosynthetic parameters and growth characteristics of elite Jatropha populations from Indonesia (IP-1P, IP-2P and IP-3P) were documented in details. (3) Protocols for plastid and nuclear transformation systems of Jatropha were developed. Culture condition for efficient regeneration from true leaf explants was optimized. Concerning plastid transformation, three putative transformed callus lines containing aadA marker and acetyl-CoA carboxylase beta subunit (AccD) gene for fatty acid fortification were obtained. Concerning nuclear transformation, we found that a selection system with mALS and bispyribac in Agrobacterium-mediated transformation was more efficient than conventional transformation protocols using hygromycin, kanamycin, and phosphinotricin. Employment of visual marker YFP enabled us to distinguish transgenic shoots easily from escape shoots. Using these improved protocols, transgenic Jatropha plantlets were generated in which delta 12-desaturase-targeted RNAi construct was incorporated for the fortification of oleic acid, a favorable fatty acid component for biodiesel production.
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