落葉樹林下の常緑草本のストレス環境下での光合成電子伝達系の維持システムの解析

• Project Area: New Photosynthesis : Reoptimization of the solar energy conversion system
• Project/Area Number: 19H04732
• 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 University of Pharmacy and Life Science
• Principal Investigator: 野口 航 東京薬科大学, 生命科学部, 教授 (80304004)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2020: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2019: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 季節変化 / 光合成 / 常緑多年生草本 / 絶滅危惧種 / 光合成系色素 / 光環境 / 過剰光エネルギー

Outline of Research at the Start

落葉樹林の林床で１年間光合成をする常緑草本は、夏では高温だが弱光環境、冬では低温で強光環境というストレス環境下で葉の光合成系を維持し、光合成生産を正にしている。しかし、このような常緑草本の光合成系の季節変化を支える生理的なしくみには不明な点が多い。申請者の大学キャンパスに自生する常緑草本のタマノカンアオイなどの葉を用いて、ストレス環境下での光合成系の生理的なメカニズムを明らかにすることを目的としている。

Outline of Annual Research Achievements

多摩丘陵の落葉樹林の林床に自生する常緑多年生草本タマノカンアオイは、少ない枚数の葉を１年間利用している。そのため、葉の光合成系が１年間維持されている重要性が高い。本研究では、高温で光強度の弱い夏から低温で光強度が強い冬まで、1年を通して有利ではない環境で、葉の光合成がどのように季節変化するか、タマノカンアオイは取り替えられない葉をどのように保護しているかを明らかにすることを目的とした。
鉢植えした個体を落葉樹の林床に置き、葉のガス交換・電子伝達パラメータの季節変化を測定し、葉をサンプリングした。飽和光下のCO2吸収速度、Rubisco活性の指標であるA-Ciカーブの初期勾配、電子伝達活性の指標であるA-Ciカーブの最大値、光合成電子伝達速度は夏は低く、秋・冬に増加した。一方、光合成系タンパク質には明確な季節変化はなかった。
熱散逸のパラメータNPQが夏から秋・冬に増加した。NPQの増加には、光化学系IIのキサントフィルサイクルの色素が関与する。夏から秋・冬に、アンテラキサンチンやゼアキサンチンの量が増加した。また冬には熱散逸に関与するβカロテンやルテインの量も増加した一方、夏に蓄積していた光捕集に関与するαカロテンやビオラキサンチン量は低下した。タマノカンアオイの葉では、光合成系の色素組成が大きく変化することも、光合成系の維持に重要であると考えられる。
タマノカンアオイおよび同じようなフェノロジーを示すオウレンの葉の光合成電子伝達系や光合成系色素の季節変化も調べた。オウレンでは秋に一過的に光合成電子伝達速度が増加したが、冬には低下した。タマノカンアオイと同様に冬には熱散逸に関与するβカロテンやルテインの量も増加していた。

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] Theoretical analysis of temperature‐dependent model of respiratory O2 consumption using the kinetics of the cytochrome and alternative pathways. (2021)
  • Author(s): Inoue T, Noguchi K
  • Journal Title: New Phytologist Volume: 229 Issue: 3 Pages: 1810-1821
  • DOI: 10.1111/nph.16964
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of root morphology, respiration and carboxylate exudation on carbon economy in two non‐mycorrhizal lupines under phosphorus deficiency (2020)
  • Author(s): Funayama-Noguchi S, Shibata M, Noguchi K, Terashima I
  • Journal Title: Plant, Cell and Environment Volume: 44 Issue: 2 Pages: 598-612
  • DOI: 10.1111/pce.13925
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The mitochondrial respiratory chain maintains the photosynthetic electron flow in Arabidopsis thaliana leaves under high-light stress. Plant and Cell Physiology, 61, 283-295. (2020)
  • Author(s): Yamada S, Ozaki H, Noguchi K
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 61 Issue: 2 Pages: 283-295
  • DOI: 10.1093/pcp/pcz193
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Induction of terminal oxidases of electron transport chain in broccoli heads under controlled atmosphere storage (2020)
  • Author(s): Makino Y, Inoue J, Wang H-W, Yoshimura M, Maejima K, Funayama-Noguchi S, Yamada T, Noguchi K
  • Journal Title: Foods Volume: 9 Issue: 4 Pages: 380-380
  • DOI: 10.3390/foods9040380
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Tolerant mechanisms to O2 deficiency under submergence conditions in plants (2020)
  • Author(s): Nakamura M, Noguchi K
  • Journal Title: Journal of Plant Research Volume: － Issue: 3 Pages: 343-371
  • DOI: 10.1007/s10265-020-01176-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phosphorus toxicity disrupts Rubisco activation and reactive oxygen species defence systems by phytic acid accumulation in leaves (2020)
  • Author(s): Takagi D, Miyagi A, Tazoe Y, Suganami M, Kawai-Yamada M, Ueda A, Suzuki Y, Noguchi K, Hirotsu N, Makino A
  • Journal Title: Plant, Cell and Environment Volume: － Issue: 9 Pages: 2033-2053
  • DOI: 10.1111/pce.13772
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The mitochondrial alternative oxidase supports redox balance of the photosynthetic electron transport, primary metabolite balance and growth at high light. (2019)
  • Author(s): Zhenxiang Jiang, Chihiro K.A. Watanabe, Atsuko Miyagi, Maki Kawai-Yamada, Ichiro Terashima, Ko Noguchi
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 20 Issue: 12 Pages: 3067-3067
  • DOI: 10.3390/ijms20123067
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] シロイヌナズナの光化学系Iの光阻害耐性の低温環境への順化 (2021)
  • Author(s): 江頭誠, 溝上祐介, 野口 航
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 常緑草本種タマノカンアオイの葉の光合成系の季節変化の解析 (2020)
  • Author(s): 和田尚樹, 近藤壱星, 中田大暁, 岸本純子, 田中亮一, 野口 航
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
• [Presentation] Interaction betwen photosynthesis and respiration in illuminated leaves (2020)
  • Author(s): Ko Noguchi
  • Organizer: RIKEN Semina
  • Invited
• [Presentation] タマノカンアオイの葉の光合成系の季節変化の解析 (2020)
  • Author(s): 和田尚樹, 近藤壱星, 中田大暁, 岸本純子, 田中亮一, 野口 航
  • Organizer: 第67回日本生態学会学会
• [Presentation] 絶滅危惧種タマノカンアオイの葉の光合成系の季節変化の解析 (2019)
  • Author(s): 和田尚樹, 近藤壱星, 尾崎洋史, 野口 航
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] シロイヌナズナの葉の呼吸系における温度依存性のエコタイプ間差の解析 (2019)
  • Author(s): 山田悠介, 尾崎洋史, 井上智美, 野口 航
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] 光合成電子伝達系に影響を与えうる変異の間歇閃光処理による光阻害への影響 (2019)
  • Author(s): 尾崎洋史, 野口 航
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] Interaction betwen photosynthesis and respiration in illuminated leaves (2019)
  • Author(s): Ko Noguchi
  • Organizer: Ecophysiological Frontiers of Photosynthesis Research
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] オウレンの葉の光合成特性の季節変化の解析 (2019)
  • Author(s): 野口 航, 川元豪基, 雪下赳, 三宅克典
  • Organizer: 薬用植物栽培研究会第２回研究総会
• [Remarks] 研究者が語る 東薬の先端研究 キャンパスに生育する絶滅危惧種から新たな薬用植物栽培を探る
  • URL: https://www.toyaku.ac.jp/research/advanced/20210217-4300.html