Integrative analysis of redox regulation in photosynthetic electron transport

• Project/Area Number: 23K23914
• Project/Area Number (Other): 22H02651 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 44030:Plant molecular biology and physiology-related
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 園池 公毅 早稲田大学, 教育・総合科学学術院, 教授 (30226716)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000); Fiscal Year 2025: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2024: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2023: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2022: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000)
• Keywords: 光合成 / レドックス制御 / プラストキノン / ステート遷移 / シアノバクテリア / クロロフィル蛍光測定 / 微小吸収変化測定 / 電子伝達 / NADPH / レドックス調節

Outline of Research at the Start

光合成生物は、光環境などの外部環境に応答して光合成の状態を常に制御する必要があり、その制御には、光合成の電子伝達鎖の成分であるプラストキノンやフェレドキシンなどの酸化還元状態が使われている。本研究では、これらの成分の酸化還元状態の測定を、その制御因子の遺伝学的・生化学的解析と組み合わせることにより、光合成のレドックス制御ネットワークの全体像を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、シアノバクテリアの光合成のある制御因子の酸化還元状態が、別の制御因子の酸化還元状態にどのような影響を与え、その相互作用が光合成の制御に全体としてどのように影響を与えるのかを統合的に明らかにすることを目的としている。二年目となる2023年度は、昨年度に新たに発見したステート遷移（フィコビリソームの移動による光合成集光機構の制御メカニズム）の制御因子とみられる遺伝子について、その調節メカニズムを明らかにするてめの研究を推進した。
その結果、当該遺伝子の欠損は、（１）フィコビリソームの量自体には影響を与えないこと、（２）そのレドックス変化がステート遷移の調節の引き金になると考えられているプラストキノンの酸化還元状態には影響を与えないこと、それにもかかわらず（３）ステート遷移は見られなくなること、の3点を見出すことができた。すなわち、この遺伝子は、プラストキノンのレドックス状態に影響を与えるのではなく、レドックス状態の感知よりも下流の過程に関与していると結論できる。
さらに、この遺伝子は、陸上植物にまで保存された1対のシステイン残基を持っており、しかも、チオレドキシンとの相互作用が見られたという報告もあることから、光化学系Ⅰの還元側のレドックスによる調節にもかかわっている可能性がある。陸上植物は、当然ながらフィコビリソームを持っていないため、保存されたシステインの部分がレドックス感知に働く一方、残りの部分が、それぞれの生物種における様々な調節機構にかかわっているとの仮説を立て、2024年度以降研究を推進することにしている。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

得られた研究成果は学会発表などにもつながっており、上記のステート遷移の制御因子にかかわる論文も投稿することはできた。

Strategy for Future Research Activity

2024年度は、ステート遷移の制御因子のシステイン残基が本当にレドックス制御にかかわっているのか、などについて、システインの置換株の作成などを通して検証していく予定である。もし、この制御因子が、従来ステート遷移の制御に大きな役割を果たしていることが明らかになっていたプラストキノンのレドックスのみならず、光化学系Ⅰの還元側のレドックスの感知にも働いていることが明確になれば、2つのレドックスのシグナルの統合のメカニズムなどについて明らかにしていく必要が生じると考えている。

Research Products

• [Journal Article] Chloroplast K⁺/H⁺<scp>EXCHANGE ANTIPORTER</scp> 3 modulates abscisic acid‐induced reactive oxygen species generation in guard cells (2024)
  • Author(s): Yamada Naotaka、Onjo Michio、Sonoike Kintake、Shimazaki Ken‐ichiro、Iwai Sumio
  • Journal Title: Physiologia Plantarum Volume: 176 Issue: 1
  • DOI: 10.1111/ppl.14136
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Improved capacity for the repair of photosystem II via reinforcement of the translational and antioxidation systems in Synechocystis sp. PCC 6803 (2023)
  • Author(s): Napaumpaiporn Pornpan、Ogawa Takako、Sonoike Kintake、Nishiyama Yoshitaka
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: 117 Issue: 4 Pages: 1165-1178
  • DOI: 10.1111/tpj.16551
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 魚類胚における藻類の潜在的な適応能力の解明 (2024)
  • Author(s): 岡部耀ニ、尾田正二、園池公毅、乾弥生、松永朋子、丸山真一朗、松永幸大
  • Organizer: 日本植物生理学会第６５回年会
• [Presentation] 比較ゲノム解析により明らかとなったSynechocystis sp. PCC 6803におけるユニバーサルストレスタンパク質のステート遷移制御機能 (2024)
  • Author(s): 福永津嵩、小川敬子、岩崎渉、園池公毅
  • Organizer: 日本植物生理学会第６５回年会
• [Presentation] Enhanced tolerance of photosystem II to strong light and high temperature via reinforcement of translational and intioxidation systems in Synechocystis sp. PCC 6803 (2024)
  • Author(s): Napaumpaiporn, P., Ogawa, T., Sonoike, K. and Nishiyama, Y.
  • Organizer: 日本植物生理学会第６５回年会
• [Presentation] クロロフィル蛍光定常レベルの光依存性により明らかになったシアノバクテリアのエネルギー散逸機構の特性 (2024)
  • Author(s): 小川敬子、高橋拓子、西山佳孝、日原由香子、園池公毅
  • Organizer: 日本植物生理学会第６５回年会
• [Presentation] Redox condition and metabolic interaction in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC6803 (2023)
  • Author(s): Fukunaga, T., Ogawa, T., Sonoike, K.
  • Organizer: US-Japan Binational Photosynthesis Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光合成におけるプラストキノンとアシルプラストキノンの役割 (2023)
  • Author(s): 園池公毅
  • Organizer: 日本植物学会第87回大会
  • Invited
• [Presentation] 人工共生系を用いた藻類と魚類の相互作用解析 (2023)
  • Author(s): 岡部耀二、尾田正二、園池公毅、松永朋子、松永幸大
  • Organizer: 第75回日本生物学会大会
• [Presentation] シアノバクテリアに特有のクロロフィル蛍光上昇による過剰エネルギー放散機構の解析 (2023)
  • Author(s): 小川敬子、高橋拓子、西山佳孝、日原由香子、園池公毅
  • Organizer: 第13回日本光合成学会年会およびシンポジウム
• [Presentation] シアノバクテリアにおける中性脂質蓄積の解析 (2023)
  • Author(s): 谷川梨瑚、石川寿樹、溝口大樹、園池公毅、日原由香子
  • Organizer: 第13回日本光合成学会年会およびシンポジウム
• [Presentation] Relationship of protein synthesis to photosynthesis in Synechocystis sp. PCC6803 (2022)
  • Author(s): Ogawa, T. and Sonoike, K.
  • Organizer: German-Japanese Meeting 2022 "Green Aquatic Biology: Ecology meets Synthetic Biology"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 異なる波長の光照射に対するシアノバクテリアSynechocystis sp. PCC 6803の光合成の応答の解析 (2022)
  • Author(s): 小川敬子、園池公毅
  • Organizer: 日本植物学会第86回大会
• [Presentation] シアノバクテリア特有の蛍光によるエネルギー放散機構の解析 (2022)
  • Author(s): 小川敬子、園池公毅
  • Organizer: 藍藻の分子生物学2022
• [Remarks] Dual KLAS NIRによる光化学系I周辺のレドックス測定
  • URL: http://www.photosynthesis.jp/proto/DualKLAS.html