Regulation of PSI cyclic electron transport by the m-type thioredoxin

• Project Area: New Photosynthesis : Reoptimization of the solar energy conversion system
• Project/Area Number: 19H04733
• 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: Okayama University (2020); Kyoto Sangyo University (2019)
• Principal Investigator: 桶川 友季 岡山大学, 資源植物科学研究所, 助教 (10582439)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2020: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2019: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 光合成 / サイクリック電子伝達 / 光化学系Ｉ / チオレドキシン / レドックス制御 / シロイヌナズナ / 葉緑体 / 電子伝達 / レドックス / PSIサイクリック電子伝達

Outline of Research at the Start

植物は葉の葉緑体で光合成反応をおこなうことによって太陽の光エネルギーを生命が利用可能な化学エネルギーに変換している。植物は効率的に光合成をおこなうために様々な制御システムを備えている。
本研究はその制御システムの一端を担うチオレドキシンに注目している。チオレドキシンとはあらゆる生物に普遍的に存在し、酵素などの働きを調節しているタンパク質である。植物が光合成を効率的におこなう上で、チオレドキシンがどのような役割を持つのかを分子レベルで明らかにすることが本研究の目的である。
チオレドキシンによる光合成の制御メカニズムが明らかになれば、植物の光合成の能力およびストレス耐性能力を改善できる可能性がある。

Outline of Annual Research Achievements

光合成電子伝達経路の１つである光化学系I (PSI) サイクリック電子伝達は光合成と光防御に必須である。しかし、分子レベルでの制御機構や制御の生理的意義に関する研究はあまり進んでいなかった。そこで本研究では、レドックス制御タンパク質であるチオレドキシン (Trx) の標的タンパク質がPSIサイクリック電子伝達に関わるPGRL1であることを明らかにし、その制御機構を分子レベルで解明することを目的に研究をおこなった。研究材料として用いたシロイヌナズナの葉緑体には5タイプのTrx (f, m, x, y, z) が局在している。
単離したチラコイド膜とTrxタンパク質を用いたin vitroの実験から、還元型のm型Trxが特異的にPSIサイクリック電子伝達を負に制御することを明らかにした。PGRL1のシステイン置換形質転換体を用いたin vivoの解析では、m型TrxがPGRL1の123番目のシステインとジスルフィド結合し、複合体を形成することによってPGR5/PGRL1依存のPSIサイクリック電子伝達を部分的に抑制することが明らかになった。またどのような条件でPSIサイクリック電子伝達が抑制または活性化されるかを調べるために様々な光条件で検討をおこなった。その結果、暗条件では形成されていたm型TrxとPGRL1の複合体が光照射によって一過的に解離することがわかった。これは光合成誘導期にPSIサイクリック電子伝達が活性化することを示唆した。これらの結果を論文として報告した。
さらに変異体の解析からf型TrxとPGR5/PGRL1依存のPSIサイクリック電子伝達が光合成誘導期に協調的に効率的な光合成の立ち上がりに寄与することを明らかにした。両方を欠損したシロイヌナズナの変異株では葉緑体のストロマが過還元状態となり光合成電子伝達が抑制されていた。この結果も論文として報告した。

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] Functional division of f-type and m-type thioredoxins to regulate the Calvin cycle and cyclic electron transport around photosystem I (2022)
  • Author(s): Okegawa Yuki、Sakamoto Wataru、Motohashi Ken
  • Journal Title: Journal of Plant Research Volume: - Issue: 4 Pages: 543-553
  • DOI: 10.1007/s10265-022-01388-7
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Maintaining the Chloroplast Redox Balance through the PGR5-Dependent Pathway and the Trx System Is Required for Light-Dependent Activation of Photosynthetic Reactions (2021)
  • Author(s): Okegawa Yuki、Tsuda Natsuki、Sakamoto Wataru、Motohashi Ken
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 63 Issue: 1 Pages: 92-103
  • DOI: 10.1093/pcp/pcab148
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] As Clear as Night and Day: Redox-Dependent Metabolic Switching in Chloroplasts (2021)
  • Author(s): Okegawa Yuki
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 62 Issue: 3 Pages: 389-391
  • DOI: 10.1093/pcp/pcab015
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] シロイヌナズナにおいて光化学系 I サイクリック電子伝達は厳密に制御されている (2021)
  • Author(s): 桶川友季
  • Journal Title: 光合成研究 Volume: 31 Pages: 154-161
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cyclic Electron Transport around PSI Contributes to Photosynthetic Induction with Thioredoxin f (2020)
  • Author(s): Okegawa Yuki、Basso Leonardo、Shikanai Toshiharu、Motohashi Ken
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 184 Issue: 3 Pages: 1291-1302
  • DOI: 10.1104/pp.20.00741
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] M-Type Thioredoxins Regulate the PGR5/PGRL1-Dependent Pathway by Forming a Disulfide-Linked Complex with PGRL1 (2020)
  • Author(s): Okegawa Yuki、Motohashi Ken
  • Journal Title: The Plant Cell Volume: 32 Issue: 12 Pages: 3866-3883
  • DOI: 10.1105/tpc.20.00304
  • Peer Reviewed
• [Presentation] PGR5の欠損はフェレドキシンからの電子の流れを変えることによってntrc変異株の生育阻害を回復させる (2022)
  • Author(s): 桶川友季、坂本亘、本橋健
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナにおけるチオレドキシン制御因子としてのCBSX (2021)
  • Author(s): 村井亮太、桶川友季、佐藤望、本橋健
  • Organizer: 第94回日本生化学大会
• [Presentation] チオレドキシンによる多様な葉緑体機能の酸化還元制御 (2021)
  • Author(s): 桶川友季
  • Organizer: 第11回日本光合成学会年会およびシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] m 型チオレドキシンは PGRL1 と複合体を形成することによって PGR5/PGRL1 依存の光化学系 I サイクリック電子伝達を制御する (2021)
  • Author(s): 桶川友季、本橋健
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] チオレドキシンシステム制御因子としての CBSX の評価 (2021)
  • Author(s): 村井亮太、桶川友季、佐藤望、本橋健
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Regulation mechanism of Photosystem I cyclic electron transport. (2020)
  • Author(s): 桶川友季
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
  • Invited
• [Presentation] シロイヌナズナのチオレドキシンm4(Trx m4)はPGR5/PGRL1 依存の光化学系I サ イクリック電子伝達を制御する (2020)
  • Author(s): 桶川友季、本橋健
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
• [Presentation] m型TrxはPGR5/PGRL1依存のPSIサイクリック電子伝達経路を制御する (2019)
  • Author(s): 桶川友季、本橋健
  • Organizer: 第10回日本光合成学会年会およびシンポジウム
• [Presentation] The m-type thioredoxin regulates PSI cyclic electron transport (2019)
  • Author(s): 桶川友季、本橋健
  • Organizer: 日米二国間セミナー
• [Presentation] Regulation of PSI cyclic electron transport by the m-type thioredoxin (2019)
  • Author(s): 桶川友季
  • Organizer: 国際ミニシンポジウム(RIIS International Symposium, Photosynthesis Research for the Future)
  • Invited
• [Remarks] 光合成のオンオフを切り替えるチオレドキシンによる新たな光合成の制御機構を解明
  • URL: https://www.kyoto-su.ac.jp/news/20201010_345_release_ira01.html
• [Remarks] 植物の光合成誘導に働く重要な制御メカニズムを、シロイヌナズナ変異体を用いて明らかにしました。
  • URL: https://www.kyoto-su.ac.jp/news/20200916_400a_thnews.html