光ストレス下での葉緑体チラコイド膜の構造変化と動態解析

• Project/Area Number: 24570053
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Plant molecular biology/Plant physiology
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 山本 泰 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (40091251)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2014-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2014: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2013: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2012: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
• Keywords: 光合成 / 光化学系II / 光ストレス / タンパク質凝集 / 葉緑体チラコイド膜 / 電子顕微鏡 / 膜流動性 / 地球温暖化 / チラコイド膜 / 熱ストレス / 生体膜構造 / 生体膜動態 / 国際情報交換（ハンガリー，チェコ）

Research Abstract

過剰な光照射が葉緑体の光化学系IIに与える影響をin vitro解析と生葉を用いての葉緑体チラコイド膜の電子顕微鏡観察で調べた。
まず，強光照射したホウレンソウ葉緑体チラコイド膜で，77Kクロロフィル蛍光スペクトルの波形分析を行い，光化学系 IIおよび光化学系 Iに含まれる各クロロフィルタンパク質の示す蛍光強度の変化を調べた。その結果，タンパク質の凝集に伴う特異的な低温クロロフィル蛍光成分の変化を見いだした。また，強光照射した葉緑体チラコイド膜で，SDS/urea-PAGEとWestern分析を行い，実際にD1の損傷とCP43との架橋，LHCIIの架橋を確認した。
次に葉緑体チラコイド膜で，蛍光試薬ジフェニルヘキサトリエンを用いて蛍光の偏光解消の測定を行い，強光照射に伴うチラコイド膜の流動性の変化を見た。その結果，強光照射でチラコイド膜の流動性が増加することが分かった。更に，ホウレンソウの葉を予め過剰な光で照射しておくと，その後の強光照射で過剰な光エネルギーを熱として逃す能力（非化学的消光NPQ）が一時的に増加することが分かった。それと同時に光化学系 IIの活性も一時的に増加した。これは，前照射で葉緑体チラコイド膜に強光に備える準備ができることを示唆している。前照射の光強度強がすぎると，D1の損傷やD1とCP43の架橋，LHCII同士の架橋が進み，NPQも光化学系 II活性も低下した。
ホウレンソウ葉に強光照射した後のチラコイド膜の重層構造の変化を透過型電子顕微鏡で調べた結果，強光照射でグラナの周縁部が外側に湾曲することが分かった。これは光ストレスで損傷を受けたD1タンパク質が分解除去されやすいよう，グラナ周縁部の面積を広げたためと考えられる。

Research Products

• [Journal Article] Quality Control of PS II: Behavior of PS II in the Highly Crowded Grana Thylakoids under Excessive Light (2014)
  • Author(s): Y. Yamamoto et al.
  • Journal Title: Plant and Cell Physiol. Volume: 0 Pages: 1-10
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quality control of Photosystem II: reversible and irreversible protein aggregation decides the fate of photosystem II under excessive illumination (2013)
  • Author(s): Y. Yamamoto et al.
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 4 Pages: 1-9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quality Control of Photosystem II: Lipid Peroxidation Accelerates Photoinhibition under Excessive Illumination. (2012)
  • Author(s): Tiffanie Chan
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: 7(12) Issue: 12 Pages: e52100-e52100
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0052100
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Quality Control of Photosystem II: The impact of light and heat stresses on proteins and lipids (2013)
  • Author(s): Y. Yamamoto
  • Organizer: 第54回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 岡山大学
• [Presentation] Localization and activation of the FtsH proteases in the thylakoid membranes under light stress (2013)
  • Author(s): M. Nishimura
  • Organizer: 第54回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 岡山大学
• [Presentation] 光化学系IIのquality control：電子顕微鏡を用いた光ストレス下のホウレンソウ葉緑体のグラナチラコイド膜構造の観察 (2013)
  • Author(s): 難波大介・西村美保・大庭千加子・坂本浩隆・村田和義・高木孝士・山本 泰
  • Organizer: 第54回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 岡山大学
• [Presentation] 光化学系IIの品質管理：光阻害に影響を与える要因として外部温度、脂質過酸化およびチラコイド膜の流動性変化について (2013)
  • Author(s): 石川朋美・堀遥香・西村美保・山本泰
  • Organizer: 第54回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 岡山大学
• [Presentation] 光化学系IIのquality control：光ストレス下におけるFtsHプロテアーゼの活性化について (2012)
  • Author(s): 西村（吉岡）美保・難波大介・森田典子・山本 泰
  • Organizer: 生物系三学会中国四国支部
  • Place of Presentation: 島根大学
• [Presentation] 光化学系IIのquality control：電子顕微鏡を用いた光ストレス下のホウレンソウ葉緑体のグラナチラコイド膜構造の観察 (2012)
  • Author(s): 難波大介・西村（吉岡）美保・坂本浩隆・村田和義・山本 泰
  • Organizer: 生物系三学会中国四国支部
  • Place of Presentation: 島根大学
• [Presentation] 光化学系IIのquality control：高温や強光ストレスがホウレンソウチラコイド膜と光化学系II膜で脂質過酸化を引き起こす (2012)
  • Author(s): 谷中賀翔・西村（吉岡）美保・山本 泰
  • Organizer: 生物系三学会中国四国支部
  • Place of Presentation: 島根大学
• [Presentation] 光化学系IIのquality control：FtsHプロテアーゼの分布と活性化について (2012)
  • Author(s): 西村美保・難波大介・山本 泰
  • Organizer: 日本植物学会
  • Place of Presentation: 兵庫県立大学
• [Presentation] 光化学系IIのquality control：電子顕微鏡を用いた光ストレス下のホウレンソウ葉緑体のグラナチラコイド膜構造の観察 (2012)
  • Author(s): 難波大介・西村美保・坂本浩隆・村田和義・山本 泰
  • Organizer: 日本植物学会
  • Place of Presentation: 兵庫県立大学
• [Presentation] 光化学系IIのquality control：光化学系IIの光阻害と脂質過酸化の関係について (2012)
  • Author(s): 谷中賀翔・堀遥香・石川朋美・Pavel Pospisil・西村美保・山本 泰
  • Organizer: 日本植物学会
  • Place of Presentation: 兵庫県立大学
• [Presentation] Quality Control of Photosystem II: the impact of light and heat stresses on the thylakoid lipids and the proteins in Photosystem II (2012)
  • Author(s): Y. Yamamoto
  • Organizer: Okayama University International Symposium
  • Place of Presentation: 岡山大学
• [Presentation] Quality control of Photosystem II: Action of FtsH proteases under light stress (2012)
  • Author(s): M. Nishimura, D. Namba and Y. Yamamoto
  • Organizer: Okayama University International Symposium
  • Place of Presentation: 岡山大学
• [Presentation] Quality Control of Photosystem II: Action of FtsH proteases under light stress (2012)
  • Author(s): 西村美保・難波大介・山本 泰
  • Organizer: 生理研研究会
  • Place of Presentation: 岡崎生理学研究所
• [Presentation] 光化学系IIのquality control：電子顕微鏡を用いた光ストレス下のホウレンソウ葉緑体のグラナチラコイド膜構造の観察 (2012)
  • Author(s): 難波大介・西村美保・坂本浩隆・村田和義・山本 泰
  • Organizer: 生理研研究会
  • Place of Presentation: 岡崎生理学研究所
• [Presentation] Action of FtsH proteases and structure of spinach thylakoids under light stress
  • Author(s): Miho Nishimura
  • Organizer: 第５５回日本植物整理学会 富山大会
  • Place of Presentation: 富山大学五福キャンパス
• [Presentation] 光化学系IIのquality control: 光ストレス下でのホウレンソウ葉緑体のグラナ膜構造の変化
  • Author(s): 難波 大介
  • Organizer: 第５５回日本植物整理学会 富山大会
  • Place of Presentation: 富山大学五福キャンパス
• [Presentation] 光化学系IIのquality control: 強光ストレス下でのチラコイド膜のダイナミクスと光化学系II複合体の挙動
  • Author(s): 甲斐 卓，大西 厚輝，津村 和
  • Organizer: 第５５回日本植物整理学会 富山大会
  • Place of Presentation: 富山大学五福キャンパス
• [Presentation] 光ストレス下におけるチラコイド膜の構造とFtsHプロテアーゼの動態
  • Author(s): 西村 美保
  • Organizer: 日本植物学第77回大会
  • Place of Presentation: 北海道大学
• [Presentation] 光化学系IIのquality control: 光ストレス下でのホウレンソウ葉緑体チラコイド膜構造変化の電子顕微鏡による観察
  • Author(s): 難波 大介
  • Organizer: 日本植物学第77回大会
  • Place of Presentation: 北海道大学
• [Presentation] 地球温暖化が植物の光合成に与える影響－細胞分子レベルでの解析－
  • Author(s): 甲斐 卓，大西 厚輝，津村 和
  • Organizer: 第3回サイエンスインカレ
  • Place of Presentation: 幕張メッセ