酸素発生型光合成生物に保存された新規プロトン濃度最適化機構の解明

• Project Area: New Photosynthesis : Reoptimization of the solar energy conversion system
• Project/Area Number: 19H04719
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 増田 真二 東京工業大学, 生命理工学院, 准教授 (30373369)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000); Fiscal Year 2020: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2019: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
• Keywords: 光合成 / 非光化学消光 / プロトン / シロイヌナズナ / 葉緑体 / シアノバクテリア / プロトン濃度勾配 / NPQ / プトロン

Outline of Research at the Start

本研究の目的は、申請者らが近年同定したシアノバクテリア・葉緑体内のプロトン濃度調節因子FLAP1およびFLAP2の機能解析を進めることで、光環境に応じてプロトン駆動力を調節する新たな仕組みを解明し、光合成最適化に必要な、吸収した余剰な光エネルギーを熱として安全に消去する「非光化学消光（NPQ）」を制御する新たな仕組みの存在を世界に先駆けて証明することである。本研究を通じて、世界で誰も提唱したことのない酸素発生型光合成生物に保存されている新しい光エネルギー最適化システムを明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、申請者らが近年同定した葉緑体内プロトン濃度調節因子の機能解析を進めることで、光環境に応じてプロトン駆動力を調節する新たな仕組みを解明し、吸収した光エネルギーを熱として安全に消去する「非光化学消光(NPQ)」を制御する新たな仕組みを明らかにすることを目的に研究を進めた。

これまでに、様々な逆遺伝学的解析によってNPQの値が野生型のそれよりも上昇する３つの新規変異体を単離している。本研究では、この３つの因子の機能の解明を目的として研究を進め、昨年度までに、葉緑体のpHの最適化に必要な２つの因子Fluctuating-light acclimation protein1 (FLAP1), Day-length-dependent delayed greening1 (DLDG1)に関する研究成果を発表することができた。今年度も、引き続きシロイヌナズナとシアノバクテリアを材料にこの２つの因子の解析を進め、さらにいくつかの論文を査読誌に発表することができた。これに加えて、本学術領域研究の公募班として参画し４年目あたる今年度は、３つ目の因子Triplet-cysteine repeat protein (TCR)の解析を重点的に進めた。その結果、TCRは、１）鉄硫黄クラスターを結合していること、２）ジスルフィド結合を有すること、３）試験管内でフェレドキシンから電子を受け取ること、４）シロイヌナズナのTCR変異体は、光化学系Iからの電子の流れが詰まり気味になること、を見出し、TCRが、光化学系I由来の電子を受け取る、いわゆる代替的電子伝達に関わり、変動光条件下での生育に重要となる光化学系Iのスペシャルペアークロロフィルの酸化に関わる重要な因子であることを明らかにした。得られた結果をまとめ、査読誌に発表することができた。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] The evolutionary conserved iron-sulfur protein TCR controls P700 oxidation in photosystem I (2021)
  • Author(s): Luu Trinh Mai Duy、Miyazaki Daichi、Ono Sumire、Nomata Jiro、Kono Masaru、Mino Hiroyuki、Niwa Tatsuya、Okegawa Yuki、Motohashi Ken、Taguchi Hideki、Hisabori Toru、Masuda Shinji
  • Journal Title: iScience Volume: 24 Issue: 2 Pages: 102059-102059
  • DOI: 10.1016/j.isci.2021.102059
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Photoreaction Mechanisms of Flavoprotein Photoreceptors and Their Applications (2021)
  • Author(s): Iwata Tatsuya、Masuda Shinji
  • Journal Title: Optogenetics. Advances in Experimental Medicine and Biology Volume: 1293 Pages: 189-206
  • DOI: 10.1007/978-981-15-8763-4_11
  • ISBN: 9789811587627, 9789811587634
• [Journal Article] The (PATAN)-CheY-Like Response Regulator PixE Interacts with the Motor ATPase PilB1 to Control Negative Phototaxis in the Cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 (2020)
  • Author(s): Jakob Annik、Nakamura Hiroshi、Kobayashi Atsuko、Sugimoto Yuki、Wilde Annegret、Masuda Shinji
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 61 Issue: 2 Pages: 296-307
  • DOI: 10.1093/pcp/pcz194
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Regulation of light-induced H+ extrusion and uptake by cyanobacterial homologs of the plastidial FLAP1, DLDG1, and Ycf10 in Synechocystis sp. PCC6803 (2020)
  • Author(s): Inago Haruya、Sato Ryoichi、Masuda Shinji
  • Journal Title: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics Volume: 1861 Issue: 10 Pages: 148258-148258
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2020.148258
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Plastidial (p)ppGpp Synthesis by the Ca2+-Dependent RelA?SpoT Homolog Regulates the Adaptation of Chloroplast Gene Expression to Darkness in Arabidopsis (2020)
  • Author(s): Ono Sumire、Suzuki Sae、Ito Doshun、Tagawa Shota、Shiina Takashi、Masuda Shinji
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 61 Issue: 12 Pages: 2077-2086
  • DOI: 10.1093/pcp/pcaa124
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] DAY-LENGTH-DEPENDENT DELAYED-GREENING1, the Arabidopsis Homolog of the Cyanobacterial H+-Extrusion Protein, Is Essential for Chloroplast pH Regulation and Optimization of Non-Photochemical Quenching (2019)
  • Author(s): Harada Kyohei、Arizono Takatoshi、Sato Ryoichi、Trinh Mai Duy Luu、Hashimoto Akira、Kono Masaru、Tsujii Masaru、Uozumi Nobuyuki、Takaichi Shinichi、Masuda Shinji
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 60 Issue: 12 Pages: 2660-2671
  • DOI: 10.1093/pcp/pcz203
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Persulphide-responsive transcriptional regulation and metabolism in bacteria (2019)
  • Author(s): Shimizu Takayuki、Masuda Shinji
  • Journal Title: The Journal of Biochemistry Volume: 167 Pages: 125-132
  • DOI: 10.1093/jb/mvz063
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 葉緑体内pHの制御に関わるDLDG1タンパク質の遺伝学的解析 (2021)
  • Author(s): 鈴木花実, 増田真二
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 硫化水素依存的な生理活性調節におけるパースルフィド応答機構の分子基盤 (2021)
  • Author(s): 清水隆之、増田真二、増田建
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナのポリリン酸分解酵素GppA/PPXホモログの機能解析 (2021)
  • Author(s): 稲津匡貴, 増田真二
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Redox regulation of photosystem I: identification of a new FeS protein involved in P700 oxidation (2021)
  • Author(s): Mai Duy Luu Trinh and Shinji Masuda
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] Activity of novel membrane proteins involved in maintenance of chloroplast H+ homeostasis (2020)
  • Author(s): Hashimoto, A., Nakahira, Y., Tsujii, M., Uozumi, M. and Masuda, S.
  • Organizer: 第６１回日本植物生理学会年会
• [Presentation] シアノバクテリアのプロトン濃度恒常性維持に関わる新規因子の解析 (2020)
  • Author(s): Inago, H., and Masuda, S.
  • Organizer: 第６１回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Use of the purple photosynthetic bacterium Rhodobacter capsulatus as a model to study persulfide metabolism and signaling (2019)
  • Author(s): Masuda, S.
  • Organizer: !st international conference on persulfide and sulfur metabolism in biology and medicine
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 硫化水素・ポリスルフィドに依存した光合成の制御 (2019)
  • Author(s): 増田真二
  • Organizer: 第９２回日本生化学会年会
  • Invited
• [Presentation] Identification and characterization of novel chloroplast proteins controling non-photochemical quenching (2019)
  • Author(s): Masuda, S.
  • Organizer: The 9th Asia and oceania conference on photobiology
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] プレスリリース：光合成における新しい電子伝達タンパク質を発見
  • URL: https://www.titech.ac.jp/news/2021/048833.html
• [Remarks] プレスリリース：光合成の明反応と暗反応を協調させる仕組みを解明
  • URL: https://www.titech.ac.jp/news/2020/048069.html