C4炭素固定

C4炭素固定またはハッチ・スラック経路は、植物における炭素固定の3つの既知の光合成過程のうちの1つです。この経路の名前は_、 1960年代のマーシャル・デイビッドソン・ハッチとチャールズ・ロジャー・スラックによる発見に由来しています。^[1]

C ₄固定は、より一般的な先祖のC ₃炭素固定に追加されたものです。C ₃光合成の主なカルボキシル化酵素はRuBisCOと呼ばれ、基質として CO ₂ (カルボキシル化) または酸素(酸素化) のいずれかを使用して 2 つの異なる反応を触媒します。RuBisCO 酸素化によりホスホグリコール酸が生成されますが、これは有毒であり、光呼吸によるリサイクルにエネルギーの消費が必要です。C ₄光合成は、 RuBisCO の周囲に CO _{2 を集中させることで光呼吸を減らします。}

RuBisCO が二酸化炭素が多く酸素が非常に少ない細胞環境で機能できるように、C _{4 の葉には通常、}葉肉細胞と束鞘細胞と呼ばれる部分的に隔離された 2 つの区画が含まれています。CO _{2は、最初に葉肉細胞で}PEP カルボキシラーゼ酵素によって触媒される反応で固定され、3 炭素のホスホエノールピルビン酸(PEP) が CO ₂と反応して4 炭素のオキサロ酢酸(OAA) を形成します。次に、OAA はリンゴ酸に還元されるか、またはアスパラギン酸にアミノ基転移されます。これらの中間体は束鞘細胞に拡散し、そこで脱炭酸されて RuBisCO の周囲に CO ₂が豊富な環境が形成され、光呼吸が抑制されます。結果として生じるピルビン酸 (PYR) は、RuBisCO によって生成されたホスホグリセリン酸 (PGA) の約半分とともに、葉肉に拡散して戻ります。その後、PGA は化学的に還元され、束鞘に戻って拡散し、還元ペントースリン酸回路(RPP) を完了します。この代謝物の交換は、C ₄光合成が機能する ために不可欠です。

追加の生化学的ステップでは、PEP を再生するためにATPの形でより多くのエネルギーが必要になりますが、CO _{2を濃縮すると、高温での光合成速度が速くなります。CO 2}濃度が高いと、温度によるガス溶解度の低下を克服できます (ヘンリーの法則)。CO ₂濃縮メカニズムにより、気孔全体でCO _{2濃度の勾配も高くなります。これは、C 4植物は一般に}気孔コンダクタンスが低く、水分損失が少なく、水利用効率が高いことを意味します。^[2] C ₄植物は窒素の利用効率も高く、PEP カルボキシラーゼは RuBisCO よりも安価に製造できます。^[3]ただし、C ₃経路は PEP の再生に余分なエネルギーを必要としないため、低温や日陰など、光呼吸が制限される条件ではより効率的です。^[4]

一部の植物はC ₃炭素固定を使用せず、代わりに炭素固定の第一段階でリンゴ酸とアスパラギン酸を生成することを示す最初の実験は、1950 年代から 1960 年代初頭にかけて、ヒューゴ・ピーター・コルチャックとユーリ・カルピロフによって行われました。^{[5] [6]} C ₄経路は、1966 年にオーストラリアのマーシャル・デビッドソン・ハッチとチャールズ・ロジャー・スラックによって解明されました。 ^[1]ハッチとスラックは当初、この経路を「C ₄ジカルボン酸経路」と呼んでいましたが、ハッチ・スラック経路と呼ばれることもあります。^[6]

C ₄植物は、ドイツ語で花輪を意味するクランツ構造と呼ばれる特徴的な葉の構造を持つことが多い。その維管束は2 つの細胞リングに囲まれている。内側のリングは束鞘細胞と呼ばれ、外側のリングにあるメソフィール細胞のグラナとは異なる、デンプンを多く含む葉緑体を含んでいる。そのため、葉緑体は二形性と呼ばれる。クランツ構造の主な機能は、CO _{2 が}RuBisCO の周囲に集中できる場所を提供し、光呼吸を回避することである。メソフィール細胞と束鞘細胞は、多数の細胞質スリーブと呼ばれる原形質連絡によって接続されており、葉レベルでのその透過性は束鞘コンダクタンスと呼ばれる。CO ₂のアポプラスト拡散 (漏出と呼ばれる) を減らすために、中層(メソフィールと束鞘の接線方向の界面)のレベルにスベリンの層^[7]が沈着することが多い。 C ₄植物の炭素濃縮メカニズムは、その同位体シグネチャを他の光合成生物と区別します。

_{C 4}植物のほとんどはクランツ構造を呈しているが、明確な束鞘組織を持たず限定的な C _{4サイクルを営む種もいくつか存在する。Suaeda} aralocaspica、Bienertia cycloptera、Bienertia sinuspersiciおよびBienertia kavirense (すべてアカザ科) は、中東の砂漠の乾燥した塩分の多い窪地に生息する陸生植物である。これらの植物は、既知の C ₄機構の中では独特な、単細胞 C ₄ CO _{2濃縮機構を営んでいることがわかっている。} ^{[8] [9] [10] [11]}両属の細胞学的特徴は若干異なるが、基本原理は、液体で満たされた液胞を使用して細胞を 2 つの別々の領域に分割することです。細胞質内のカルボキシル化酵素は、葉緑体内の脱炭酸酵素および RuBisCOから分離されています。拡散障壁は、葉緑体（RuBisCO を含む）と細胞質の間にあります。これにより、束鞘型領域と葉肉型領域を 1 つの細胞内に確立できます。これにより、限られた C ₄サイクルが動作できるようになりますが、比較的非効率的です。RuBisCO の周囲から大量の CO ₂が漏れます。

また、温暖な環境下では非クランツ水生大型水草Hydrilla verticillata_{による誘導性C4}光合成の証拠もあるが、RuBisCOの周囲からの_CO2漏出を最小限に抑えるメカニズムは現在のところ不明である。^[12]

C ₃植物では、光に依存しない光合成反応の最初のステップは、酵素RuBisCOによる CO ₂の固定で、 3-ホスホグリセリン酸を形成します。しかし、RuBisCo はカルボキシラーゼとオキシゲナーゼの二重活性を持っています。酸素化により、基質の一部はカルボキシル化されるのではなく酸化され、光呼吸と呼ばれる基質の損失とエネルギーの消費につながります。酸素化とカルボキシル化は競合的であり、反応速度は酸素と CO ₂の相対濃度に依存します。

光呼吸の速度を低下させるために、C ₄植物はRuBisCO の周囲のCO ₂濃度を高めます。そのために、葉の中で部分的に隔離された 2 つの区画、つまり葉肉と束鞘が分化します。RuBisCO による直接固定の代わりに、CO _{2 は}最初に葉肉の4 炭素有機酸(リンゴ酸またはアスパラギン酸) に組み込まれます。次に、有機酸は原形質連絡を通って束鞘細胞に拡散します。そこで、有機酸は脱炭酸され、CO ₂に富む環境が作られます。束鞘細胞の葉緑体は、この CO _{2 を}従来のC ₃経路によって炭水化物に変換します。

C4 同化の生化学的特徴には大きなばらつきがあり、一般的には脱炭酸に使用される主な酵素 ( NADP-リンゴ酸酵素、NADP-ME、NAD-リンゴ酸酵素、NAD-ME、およびPEP カルボキシキナーゼ、PEPCK) によって区別される 3 つのサブタイプに分類されます。PEPCK は NADP-ME または NAD-ME の上に配置されることが多いため、生化学的ばらつきを 2 つのサブタイプに分類することが提案されました。たとえば、トウモロコシとサトウキビはNADP-ME と PEPCK を組み合わせて使用​​しますが、キビはNAD-ME を優先的に使用し、Megathyrsus maximus はPEPCK を優先的に使用します。

NADP-MEタイプ C ₄経路の最初のステップは、ピルビン酸(Pyr)をピルビン酸リン酸ジキナーゼ(PPDK)酵素によってホスホエノールピルビン酸 (PEP)に変換することです。この反応には無機リン酸とATPに加えてピルビン酸が必要で、PEP、AMP、無機ピロリン酸(PP _i ) が生成されます。次のステップは、PEP カルボキシラーゼ酵素 (PEPC)によって PEP がカルボキシル化され、オキサロ酢酸が生成されます。これらのステップは両方とも葉肉細胞で発生します。

ピルビン酸 + P _i + ATP → PEP + AMP + PP _i

PEP + CO ₂ → オキサロ酢酸

PEPCはHCOに対するK _Mが低い⁻
₃— そのため親和性が高く、O _{2によって混乱されることがないため、低濃度の CO 2}でも機能します。

生成物は通常リンゴ酸(M) に変換され、近くの葉脈を囲む束鞘細胞に拡散します。ここで、 NADP-リンゴ酸酵素(NADP-ME)によって脱炭酸され、 CO ₂とピルビン酸が生成されます。CO ₂は RuBisCo によって固定されてホスホグリセリン酸(PGA) が生成され、ピルビン酸は約半分のホスホグリセリン酸(PGA)とともに葉肉細胞に戻ります。この PGA は葉肉で化学的に還元され、束鞘に拡散して戻り、カルビン回路の変換段階に入ります。束鞘に輸出された CO ₂分子ごとに、リンゴ酸シャトルは電子を 2 つ渡すため、束鞘での還元力の需要が減少します。

ここで、PEPC によって生成された OAA は、アスパラギン酸アミノトランスフェラーゼによってアスパラギン酸 (ASP) にアミノ基転移され、これが代謝産物として束鞘に拡散します。束鞘では、ASP は再び OAA にアミノ基転移され、その後、無駄な還元と酸化的脱炭酸を受けて CO _{2 を}放出します。結果として生じたピルビン酸はアラニンにアミノ基転移され、葉肉に拡散します。アラニンは最終的にピルビン酸 (PYR) にアミノ基転移され、葉肉葉緑体で PPDK によって PEP に再生されます。このサイクルは、葉肉のリンゴ酸脱水素酵素の反応をバイパスするため、還元当量が束鞘に転送されることはありません。

この変異体では、束鞘内のアスパラギン酸アミノトランスフェラーゼによって生成されたOAAがPEPCKによって脱炭酸されてPEPになる。PEPの運命は依然として議論されている。最も単純な説明は、PEPが拡散してメソフィールに戻り、PEPCの基質となるということである。PEPCKはATP分子を1つしか使用しないため、PEPCKによるPEPの再生は理論的にはこのサブタイプの光合成効率を高めるはずであるが、これは測定されたことがない。低光量下ではPEPCKの相対的発現の増加が観察されており、メソフィールと束鞘の間のエネルギー要件のバランスをとるのに役立つと提案されている。

_{C 3}光合成では各葉緑体が明反応と暗反応を完了できるのに対し、C ₄葉緑体はメソフィール細胞と束鞘細胞に含まれる2つの集団に分化します。2種類の葉緑体間で光合成作業を分割すると、必然的にそれらの間で中間体が大量に交換されます。フラックスは大きく、総同化速度の10倍に達することもあります。^[13]交換される代謝物の種類と全体的な速度は、サブタイプによって異なります。光合成酵素（たとえばPECP）の生成物阻害を減らすには、濃度勾配をできるだけ低くする必要があります。これには、メソフィールと束鞘の間の代謝物のコンダクタンスを増やす必要がありますが、これにより束鞘からのCO _{2の逆拡散も増加し、CO 2}濃縮メカニズム の最適化において本質的かつ避けられないトレードオフが発生します。

葉肉と束鞘におけるNADPHとATP の需要を満たすには、2 つの異なる電子伝達系の間で光を集めて共有する必要がある。束鞘では主に光化学系 I の周りの循環的な電子の流れによって、M では束鞘または葉肉で利用できる光に応じて主に直線的な電子の流れによって ATP が生成される。各タイプの細胞における ATP と NADPH の相対的な必要量は、光合成サブタイプによって異なる。^[13] 2 つの細胞タイプ間での励起エネルギーの配分は、葉肉と束鞘における ATP と NADPH の利用可能性に影響を与える。たとえば、緑色光は葉肉細胞に強く吸収されず、束鞘細胞を優先的に励起することができ、青色光の場合はその逆となる。^[14]束鞘は葉肉に囲まれているため、葉肉での光収集により BS 細胞に到達する利用可能な光が減少する。また、束鞘の大きさによって、取り込める光の量が制限される。^[15]

考慮する出力と入力に応じて、効率のさまざまな定式化が可能です。たとえば、平均量子効率は、総同化と吸収または入射光強度の比率です。異なる条件で栽培され、異なるサブタイプに分類される植物間で測定された量子効率に大きなばらつきがあることが文献で報告されていますが、その根拠はまだ明らかではありません。量子効率の構成要素の 1 つは暗反応の効率、つまり生化学的効率で、これは一般に総同化の ATP コスト (ATP/GA) として逆数で表されます。

C ₃光合成では、ATP/GA は主にRuBisCO のカルボキシル化部位の CO ₂と O _{2 の濃度に依存します。CO 2}濃度が高く、O ₂濃度が低い場合、光呼吸は抑制され、C ₃同化は高速かつ効率的になり、ATP/GA は理論上の最小値 3 に近づきます。

C ₄光合成では、RuBisCO カルボキシル化部位での CO _{2濃度は主に CO 2}濃縮機構の動作の結果であり、これには約 2 ATP/GA の追加コストがかかりますが、広範囲の条件で 効率が外部 CO _{2濃度に比較的影響されなくなります。}

生化学的効率は主に束鞘へのCO ₂供給速度に依存し、低光量下では PEP カルボキシル化速度が低下し、RuBisCO のカルボキシル化部位の CO ₂ /O ₂濃度比が低下するため、一般的に効率は低下します。低光量下での効率低下の程度を定義する重要なパラメータは、束鞘コンダクタンスです。束鞘コンダクタンスが高い植物は、葉肉と束鞘の間で代謝産物の交換が促進され、高光量下での同化速度が速くなります。しかし、束鞘からの CO _{2逆拡散速度も速く (漏出と呼ばれる)、薄暗い場所では光呼吸が増加し、生化学的効率が低下します。これは、C 4}光合成の動作における本質的かつ避けられないトレードオフを表しています。C ₄植物は、束鞘コンダクタンスを調整する優れた能力を持っています。興味深いことに、低光量下で生育した植物では束鞘コンダクタンスが低下し^[16]、高光量下で生育した植物ではその後低光量下に移行し、古い葉が新芽によって影になる作物の樹冠で発生する現象が起こります^{[17] 。}

C _{4植物は、}干ばつ、高温、窒素またはCO ₂制限の条件下では、より一般的なC ₃炭素固定経路を持つ植物よりも競争上の優位性があります。同じ環境（30℃）で栽培した場合、C _{3草は固定されたCO 2}分子あたり約833分子の水を失いますが、C ₄草は277分子しか失いません。C ₄草の水利用効率の向上は、土壌水分が保持され、乾燥した環境でより長く生育できることを意味します。^[18]

C ₄炭素固定は、19の異なる科の植物で少なくとも62の独立した機会に進化しており、収斂進化の代表的な例となっている。^{[19] [20]この収斂は、C} ₄ 表現型への潜在的な進化経路が多数存在し、その多くが光合成に直接関係しない初期の進化段階を伴うという事実によって促進された可能性がある。^[21] C ₄植物は、約3500万年前^[20]の漸新世（正確な時期を特定することは困難）に出現し、約2100万年前の前期中新世に生態学的に重要になった。^[22]イネ科植物のC ₄代謝は、生息地が日陰の森林の下層からより開けた環境に移行したときに始まり、^[23]高い日光がC ₃経路よりも有利になった。^[24]その革新には干ばつは必要なかった。むしろ、水使用量の節約の増加は経路の副産物であり、C4植物が乾燥した環境に容易に定着することを可能にした_。 [ ^24]

現在、C ₄植物は地球上の植物バイオマスの約5％、既知の植物種の3％を占めています。^{[18] [25]}この希少性にもかかわらず、C 4 植物は陸上の炭素固定の約23％を占めています。^{[26] [27]地球上のC} ₄植物の割合を増やすことは、 CO _2の生物隔離を助け、重要な気候変動回避戦略となる可能性があります。 現在のC _{4植物は、気温が高いためC 3}植物の光呼吸率が上昇する熱帯および亜熱帯（緯度45度以下）に集中しています。

約8,100種の植物がC4炭素固定を利用しており_、これはすべての陸生植物種の約3％に相当します。^{[27] [28]}これら8,100種はすべて被子植物です。 C4_炭素固定は、双子葉植物と比較して単子葉植物でより一般的であり、単子葉植物の40％がC4経路を使用しています_[説明^が必要]。これと比較して、双子葉植物ではわずか4.5％です。それにもかかわらず、単子葉植物では15の双子葉植物科と比較してわずか3科のみが_C4炭素固定を使用しています。 _C4植物を含む単子葉植物クレードのうち、イネ科（Poaceae）種がC4光合成経路を最も多く使用しています_。イネ科の46％はC4であり_{、合わせてC4}種の61％を占めています。 C _{4 は}イネ科で20回以上独立して発生しており、さまざまな亜科、族、属に分類されています^[29] 。これには、食用作物であるトウモロコシ、サトウキビ、モロコシを含むアンドロポゴネ亜科が含まれます。さまざまな種類のキビも C ₄です。^{[30] [31] C} ₄種を含む双子葉植物の系統群のうち、ナデシコ目に最も多くの種が含まれています。ナデシコ目の科の中では、アカザ科がC _{4炭素固定を最も多く使用しており、1,400種のうち550種がこれを使用しています。関連する}ヒユ科の1,000種のうち約250種も C _{4 を}使用しています。^{[18] [32]}

カヤツリグサ科の植物や、キク科（ヒナギク科）、アブラナ科（キャベツ科）、トウダイグサ科（トウダイグサ科）を含む数多くの双子葉植物の科の植物も C _{4 を}使用します。

高さ15メートル以上の大きな木はC4を使用していませんが_、 [ ^33]高さ10メートル未満の小さな木や低木の中にはC4を使用するものが多数存在します。ハワイ原産のトウダイグサ科の6種と、中東とアジアの砂漠に生育するヒユ科の2種です。 ^[34]

_{C 4}の利点を考慮して、世界中の研究機関の科学者グループが C ₄ライス プロジェクトに取り組んでおり、 C ₄植物のトウモロコシとブラキポディウムを研究することで、本来は C _{3植物であるが C 4経路を使用する}イネの品種を生産しています。^[35]米は世界で最も重要な人類の食料であり、地球上の半分以上の人々の主食であるため、太陽光をより効率的に穀物に変換する米があれば、食糧安全保障の改善に向けて世界的に大きな利益が得られる可能性があります。研究チームは、C ₄米は最大 50% 多くの穀物を生産でき、より少ない水と栄養素でそれを実現できると主張しています。^{[36] [37] [38]}

_{研究者らはすでにイネのC4}光合成に必要な遺伝子を特定しており、現在は_C4イネのプロトタイプの開発に取り組んでいる。2012年、英国政府はビル＆メリンダ・ゲイツ財団と共同で、国際イネ研究所の_C4イネプロジェクトに3年間で1400万米ドルを提供した。^[39] 2019年、ビル＆メリンダ・ゲイツ財団はオックスフォード大学主導のC4イネプロジェクトにさらに1500万米ドルを助成した。5年間のプロジェクトの目標は、2024年までに台湾で実験圃場を稼働させることである。^[40]

_{C 3}とクランツC ₄の中間段階であるC _{2光合成は、イネの変換にはC 4}よりも好まれるかもしれない。より単純なシステムはC ₄よりも高光量と高温条件に最適化されていないが、遺伝子工学のステップが少なくて済み、あらゆる温度と光レベルでC ₃よりも優れたパフォーマンスを発揮するという利点がある。^{[41] 2021年、英国政府はC} ₂工学の研究に120万ポンドを提供した。^[42]

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