光化学系IIの光阻害と修復の分子機構

• Project Area: Creation of novel light energy conversion system through elucidation of the molecular mechanism of photosynthesis and its artificial design in terms of time and space
• Project/Area Number: 20H05089
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: 西山 佳孝 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (30281588)
• Project Period (FY): 2020-11-19 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 光合成 / 光化学系II / 酸素発生 / 光阻害 / 修復 / 遺伝子 / タンパク質

Outline of Research at the Start

光化学系IIは光による損傷を受けやすいが、修復機構によって速やかに修復される。申請者らは、これまでに光損傷に関する新たなモデル「Two-step機構」を提唱し、修復を制御する新たな機構を発見してきた。本研究では、シアノバクテリアを研究材料として、Two-step機構の実態を解明するとともに、水分解を触媒するマンガンクラスター（Mn4CaO5）および反応中心の修復機構を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

光化学系II（PSII）は光による損傷を受けやすいが、修復機構によって速やかに修復される。研究代表者らは、これまでに光損傷に関する新たなモデル「Two-step説」を提唱し、修復を制御する新たな機構を見出してきた。Two-step説では、紫外線や青色光によって酸素発生系マンガンクラスターが損傷を受け（第一段階）、その後クロロフィルが吸収する可視光によって反応中心が損傷を受ける（第二段階）ことが推定されている。本年度は、Two-step機構の詳細および光損傷からの修復機構を明らかにするため、シアノバクテリアSynechocystis sp. PCC 6803から単離したチラコイド膜に強力な紫外線（UV-A; 365 nm）を照射し、酸素発生および人工電子受容体DCIPの還元速度を指標にPSII活性を測定した。チラコイド膜にUV-Aを50秒照射すると、PSII活性は元の約10%にまで低下した。その際、PSII全体（H2O→DCIP）と反応中心（DPC→DCIP）の反応を比較すると、前者の方がより速く低下したため、酸素発生系が反応中心よりも先に損傷を受けていることが確認できた。次に、チラコイド膜にDPCの存在下でUV-Aを照射すると、H2O→DCIP反応 は著しく低下したが、DPC→DCIP反応 はほとんど低下しなかった。したがって、PSII反応中心は無傷な状態で酸素発生系のみが損傷した「損傷中間体」を得ることができた。さらに、UV-A照射したチラコイド膜にMn2+やCl-、ATP、細胞の可溶性画分を同時に添加すると、PSII活性は著しく回復した。可溶性画分を熱処理してから添加すると、PSII活性の回復は見られなかった。したがって、酸素発生系の再生には可溶性画分に存在する何らかのタンパク質性因子とATPが必要であることが示唆された。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Recovery of photosynthesis after long-term storage in the terrestrial cyanobacterium <i>Nostoc commune</i> (2022)
  • Author(s): Toshio Sakamoto, Yang Wei, Koki Yuasa, Yoshitaka Nishiyama
  • Journal Title: The Journal of General and Applied Microbiology Volume: 68 Issue: 4 Pages: 169-174
  • DOI: 10.2323/jgam.2022.01.003
  • ISSN: 0022-1260, 1349-8037
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The NAD Kinase Slr0400 Functions as a Growth Repressor in Synechocystis sp. PCC 6803 (2021)
  • Author(s): Ishikawa Yuuma、Cassan Cedric、Kadeer Aikeranmu、Yuasa Koki、Sato Nozomu、Sonoike Kintake、Kaneko Yasuko、Miyagi Atsuko、Takahashi Hiroko、Ishikawa Toshiki、Yamaguchi Masatoshi、Nishiyama Yoshitaka、Hihara Yukako、Gibon Yves、Kawai-Yamada Maki
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: - Issue: 4 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1093/pcp/pcab023
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dissection of the Mechanisms of Growth Inhibition Resulting from Loss of the PII Protein in the CyanobacteriumSynechococcus elongatusPCC 7942 (2021)
  • Author(s): Sakamoto Takayuki、Takatani Nobuyuki、Sonoike Kintake、Jimbo Haruhiko、Nishiyama Yoshitaka、Omata Tatsuo
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: - Issue: 4 Pages: 721-731
  • DOI: 10.1093/pcp/pcab030
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Superoxide Production by the Red Tide-Producing Chattonella marina Complex (Raphidophyceae) Correlates with Toxicity to Aquacultured Fishes (2021)
  • Author(s): Shikata Tomoyuki、Yuasa Koki、Kitatsuji Saho、Sakamoto Setsuko、Akita Kazuki、Fujinami Yuichiro、Nishiyama Yoshitaka、Kotake Toshihisa、Tanaka Ryusuke、Yamasaki Yasuhiro
  • Journal Title: Antioxidants Volume: 10 Issue: 10 Pages: 1635-1635
  • DOI: 10.3390/antiox10101635
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Resilience under climate change (2020)
  • Author(s): Nishiyama Yoshitaka
  • Journal Title: Nature Plants Volume: 6 Issue: 5 Pages: 442-443
  • DOI: 10.1038/s41477-020-0639-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Elevated Levels of Specific Carotenoids During Acclimation to Strong Light Protect the Repair of Photosystem II in Synechocystis sp. PCC 6803 (2020)
  • Author(s): Izuhara Taichi、Kaihatsu Ikumi、Jimbo Haruhiko、Takaichi Shinichi、Nishiyama Yoshitaka
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 11 Pages: 1030-1030
  • DOI: 10.3389/fpls.2020.01030
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Vertical distribution of a harmful red-tide dinoflagellate, Karenia mikimotoi, at the decline stage of blooms (2020)
  • Author(s): Shikata Tomoyuki、Kitatsuji Saho、Abe Kazuo、Onitsuka Goh、Matsubara Tadashi、Nakayama Natsuko、Yuasa Koki、Nishiyama Yoshitaka、Mizuno Ken-Ichiro、Masuda Takeshi、Nagai Kiyohito
  • Journal Title: Journal of Sea Research Volume: 165 Pages: 101960-101960
  • DOI: 10.1016/j.seares.2020.101960
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Long-Chain Saturated Fatty Acids, Palmitic and Stearic Acids, Enhance the Repair of Photosystem II (2020)
  • Author(s): Jimbo Haruhiko、Takagi Kensuke、Hirashima Takashi、Nishiyama Yoshitaka、Wada Hajime
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 21 Issue: 20 Pages: 7509-7509
  • DOI: 10.3390/ijms21207509
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nutrient deficiency stimulates the production of superoxide in the noxious red-tide-forming raphidophyte Chattonella antiqua (2020)
  • Author(s): Yuasa Koki、Shikata Tomoyuki、Ichikawa Takayoshi、Tamura Yu、Nishiyama Yoshitaka
  • Journal Title: Harmful Algae Volume: 99 Pages: 101938-101938
  • DOI: 10.1016/j.hal.2020.101938
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 有害赤潮形成藻シャットネラ属における細胞外スーパーオキシド産生と光合成の関係 (2020)
  • Author(s): 湯浅光貴、紫加多知幸、西山佳孝
  • Journal Title: 光合成研究 Volume: 30(3) Pages: 149-156
  • NAID: 40022445918
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 光化学系IIの光阻害と修復の分子機構 (2022)
  • Author(s): 小島俊太、西山佳孝
  • Organizer: 新学術領域研究「光合成分子機構の学理解明と時空間制御による革新的光-物質変換系の創製」第4回最終公開シンポジウム
• [Presentation] Eco-physiological study of noxious red-tide-forming microalgae (2022)
  • Author(s): Koki Yuasa, Tomoyuki Shikata, Yoshitaka Nishiyama
  • Organizer: German-Japanese Meeting 2022 “Green Aquatic Biology: Ecology Meets Synthetic Biology”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] シロイヌナズナの強光順化における葉序ごとの光化学系II修復能力 (2022)
  • Author(s): 北村泉希、新庄梓、西山佳孝
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 高温順化したシアノバクテリアの光阻害における光化学系II表在性タンパク質の役割 (2022)
  • Author(s): 猪崎風葉、西山佳孝
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 害赤潮藻類Alexandrium属の光合成に対する温度ストレスの影響 (2022)
  • Author(s): 須賀敦紀、湯浅光貴、紫加田知幸、西山佳孝
  • Organizer: 令和4年度日本水産学会春季大会
• [Presentation] 有害赤潮藻類Chattonella属の細胞表層グリコカリックスの糖鎖分析 (2022)
  • Author(s): 田村悠、湯浅光貴、紫加田知幸、西山佳孝
  • Organizer: 令和4年度日本水産学会春季大会
• [Presentation] 光化学系IIの修復におけるカルシウムイオンの役割 (2021)
  • Author(s): 猪崎風葉、西山佳孝
  • Organizer: 第11回日本光合成学会年会
• [Presentation] シアノバクテリアの強光順化におけるカロテノイド配糖体の役割 (2021)
  • Author(s): 恩田萌花、海發育実、出原太智、高市真一、西山佳孝
  • Organizer: 第11回日本光合成学会年会
• [Presentation] Role of the chloroplast translation factor EF-Tu in photoinhibition of photosystem II in Arabidopsis (2021)
  • Author(s): Yoshitaka Nishiyama
  • Organizer: Japan-Finland Seminar 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 光化学系IIの光阻害と修復の分子機構 (2021)
  • Author(s): 小島俊太、西山佳孝
  • Organizer: 新学術領域研究「革新的光物質変換」第4回合同班会議
• [Presentation] 光化学系IIの光阻害と修復の分子機構 (2021)
  • Author(s): 西山佳孝
  • Organizer: 光合成分子機構の学理解明と時空間制御による革新的光-物質変換系の創製・第3回シンポジウム
• [Presentation] 光合成の強光応答とタンパク質合成系のレドックス制御 (2021)
  • Author(s): 西山佳孝
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] 有害赤潮形成藻Chattonella antiquaの細胞外スーパーオキシド産生を促進する環境要因 (2021)
  • Author(s): 湯浅光貴、市川隆祥、田村悠、紫加田知幸、西山佳孝
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 有害赤潮藻Chattonella属におけるスーパーオキシド産生機構の生化学解析 (2021)
  • Author(s): 市川隆祥、湯浅光貴、紫加田知幸、西山佳孝
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナ葉緑体翻訳因子EF-Tuの酸化傷害と光化学系IIの光阻害の関係 (2021)
  • Author(s): 鳥生万智、新庄梓、西山佳孝
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] クラミドモナスPGRL1システイン残基の機能解析 (2021)
  • Author(s): 高橋拓子、髙山健太、井須敦子、若林憲一、久堀徹、西山佳孝
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 新奇有害赤潮藻Alexandrium leeiの増殖と光合成に対する温度ストレスの影響 (2021)
  • Author(s): 須賀敦紀、湯浅光貴、紫加田知幸、西山佳孝
  • Organizer: 令和3年度日本水産学会春季大会
• [Presentation] 有害赤潮藻Chattonella antiquaの活性酸素産生に及ぼす栄養欠乏の影響 (2021)
  • Author(s): 湯浅光貴、市川隆祥、田村悠、紫加田知幸、西山佳孝
  • Organizer: 令和3年度日本水産学会春季大会
• [Book] 光合成 (2021)
  • Author(s): 日本光合成学会
  • Total Pages: 224
  • Publisher: 朝倉書店
  • ISBN: 9784254171761