ジオラマ環境で検証する藻類光走性の意義と鍵遺伝子の機能

• Project Area: Advanced mechanics of cell behavior shapes formal algorithm of protozoan smartness awoken in giorama conditions.
• Project/Area Number: 22H05674
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (IV)
• Research Institution: Kyoto Sangyo University
• Principal Investigator: 若林 憲一 京都産業大学, 生命科学部, 教授 (80420248)
• Project Period (FY): 2022-06-16 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2023: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
• Keywords: クラミドモナス / 緑藻 / 走光性 / 繊毛 / 光走性 / 強光耐性 / 活性酸素種

Outline of Research at the Start

遊泳性藻類の多くは光走性を示すが、その生理的意義に関する明確な説明はない。我々はモデル真核藻類である緑藻クラミドモナスを用いて、この謎を解く鍵となる現象「同一光条件下でも、時間を追うごとに光走性の正と負は変動すること」「これが細胞内の活性酸素種(ROS)量の変動とリンクしているらしいこと」を見出した。不思議なことに、クラミドモナスは細胞内ROS量が多いときに正の光走性（つまり、ROS発生量がより高くなる環境への移動）を示す。これは一見すると自殺行為にも見える。本研究では、光走性の意義を、野外光環境を模したジオラマ培養条件下での光走性実験によって検証する。

Outline of Annual Research Achievements

遊泳性藻類の多くは光走性を示すが、その生理的意義に関する明確な説明はない。我々はモデル真核藻類である緑藻クラミドモナスを用いて、この謎を解く鍵となる現象「同一光条件下でも、時間を追うごとに光走性の正と負は変動すること」「これが細胞内の活性酸素種(ROS)量の変動とリンクしているらしいこと」を見出した。不思議なことに、クラミドモナスは細胞内ROS量が多いときに正の光走性（つまり、ROS発生量がより高くなる環境への移動）を示す。これは一見すると自殺行為にも見える。本研究では、光走性の意義を、野外光環境を模したジオラマ培養条件下での光走性実験によって検証する。
令和４年度は、予定通りに「夏の野外の日差し」に匹敵する約2000μmol photons m-2 s-1の強度の光環境を実験室内に構築することができた。これを用いた光走性の意義の検証実験系を組む予定であったが、途中、クラミドモナス培養インキュベーターの故障があり、実験が滞ってしまった。そのため繰越を申請して受理された。
令和５年度は、インキュベーターの修理後、上記の光源を用いてクラミドモナスの光走性と生残性を同時に検証する系を立ち上げたところ、強光量による熱の影響が大きく、水フィルターなどを駆使して予備的な結果を得られるまでになった。その結果、日陰なしの条件下での野生株の死亡率がそこまで低くないことが判明し、このままでは死亡率によって光走性の重要性を検討することが困難であることがわかった。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

機器故障、研究計画責任者の大学移籍による実験系の再設定など予定外の事が生じ、やや遅れている。

Strategy for Future Research Activity

生残性判定実験系を確立しつつあるため、これを光走性異常株に適用する。また、進行中の新規光走性異常株の原因遺伝子解析を予定通り終了させる。

Research Products

• [Journal Article] Changes in intracellular energetic and metabolite states due to increased galactolipid levels in Synechococcus elongatus PCC 7942 (2023)
  • Author(s): Kondo Kumiko、Yoshimi Rina、Apdila Egi Tritya、Wakabayashi Ken-ichi、Awai Koichiro、Hisabori Toru
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1 Pages: 259-259
  • DOI: 10.1038/s41598-022-26760-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Two specific domains of the γ subunit of chloroplast F _o F ₁ provide redox regulation of the ATP synthesis through conformational changes (2023)
  • Author(s): Akiyama Kentaro、Ozawa Shin-Ichiro、Takahashi Yuichiro、Yoshida Keisuke、Suzuki Toshiharu、Kondo Kumiko、Wakabayashi Ken-ichi、Hisabori Toru
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 120 Issue: 6
  • DOI: 10.1073/pnas.2218187120
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cells collectively migrate during ammonium chemotaxis in Chlamydomonas reinhardtii (2023)
  • Author(s): G. Nelson, A. Strain, A. Isu, A. Rahnama, K. Wakabayashi, A. T. Melvin, N. Kato
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1 Pages: 10781-10781
  • DOI: 10.1038/s41598-023-36818-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mechanoresponses mediated by the TRP11 channel in cilia of Chlamydomonas reinhardtii (2023)
  • Author(s): D. Oshima, M. Yoshida, K. Saga, N. Ito, M. Tsuji, A. Isu, N. Watanabe, K. Wakabayashi, K. Yoshimura
  • Journal Title: iScience Volume: 26 Issue: 10 Pages: 107926-107926
  • DOI: 10.1016/j.isci.2023.107926
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Molecular bulkiness of a single amino acid in the F1 α subunit determines the robustness of cyanobacterial ATP synthase (2023)
  • Author(s): A. Machida, K. Kondo, K. Wakabayashi, K. Tanaka, T. Hisabori
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 64 Issue: 12 Pages: 1590-1600
  • DOI: 10.1093/pcp/pcad109
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The Importance of the C-terminal Cys pair of Phosphoribulokinase in Phototrophs in Thioredoxin-Dependent Regulation (2022)
  • Author(s): Fukui K, Yoshida K, Yokochi Y, Sekiguchi T, Wakabayashi KI, Hisabori T, Mihara S.
  • Journal Title: Plant Cell Physiol. Volume: in press Issue: 6 Pages: 855-868
  • DOI: 10.1093/pcp/pcac050
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Verification of the Relationship between Redox Regulation of Thioredoxin Target Proteins and Their Proximity to Thylakoid Membranes (2022)
  • Author(s): Fukushi Y, Yokochi Y, Wakabayashi KI, Yoshida K, Hisabori T.
  • Journal Title: Antioxidants Volume: 11 Issue: 4 Pages: 773-773
  • DOI: 10.3390/antiox11040773
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Reactivation of Demembranated Cell Models in <em>Chlamydomonas reinhardtii</em> (2022)
  • Author(s): Ueki Noriko、Isu Atsuko、Wakabayashi Ken-ichi
  • Journal Title: Journal of Visualized Experiments Volume: 183 Issue: 183
  • DOI: 10.3791/63869
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation of Photobehavior in <em>Chlamydomonas reinhardtii</em> (2022)
  • Author(s): Ueki Noriko、Isu Atsuko、Kyuji Ayaka、Asahina Yuma、So Satoaki、Takahashi Rina、Hisabori Toru、Wakabayashi Ken-ichi
  • Journal Title: Journal of Visualized Experiments Volume: 183 Issue: 183
  • DOI: 10.3791/63961
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dissipation of the proton electrochemical gradient in chloroplasts promotes the oxidation of ATP synthase by thioredoxin-like proteins (2022)
  • Author(s): Sekiguchi T., Yoshida K., Wakabayashi K-I., Hisabori T.*
  • Journal Title: J. Biol. Chem. Volume: 298 Issue: 11 Pages: 102541-102541
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2022.102541
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] ボルボックス目におけるレイノルズ数の増加に適応した光誘起繊毛反応の進化 (2024)
  • Author(s): 植木紀子、若林憲一
  • Organizer: 生体運動研究合同班会議
• [Presentation] クラミドモナス走光性符号異常株から繊毛運動調節機構を紐解く (2024)
  • Author(s): 坂本一馬、森下純、猪川玲夫、上野恵資、苗加彰、植木紀子、若林憲一
  • Organizer: 生体運動研究合同班会議
• [Presentation] 軸糸外腕ダイニンのチオレドキシン様軽鎖の機能 (2023)
  • Author(s): 久次史花, 小板橋亮矩, 宋叡陽, 柳沢春明, 山野隆志, 吉川雅英, 福澤秀哉, 久堀徹, 若林憲一
  • Organizer: 生体運動研究合同班会議
• [Presentation] TRPチャネルの機械受容による繊毛運動の制御 (2023)
  • Author(s): 嵯峨康佑, 大島大地, 吉田愛美, 井須敦子, 若林憲一, 吉村建二郎
  • Organizer: 生体運動研究合同班会議
• [Presentation] 緑藻クラミドモナスにおける_光性符号変動と_化性 (2023)
  • Author(s): 前川優太、朝比奈佑磨、高野真由、久堀徹、若林憲一
  • Organizer: 第16回クラミドモナス研究会
• [Presentation] 軸糸外腕ダイニンのチオレドキシン様軽鎖の機能 (2023)
  • Author(s): 久次史花, 小板橋亮矩, 宋叡陽, 柳沢春明, 山野隆志, 吉川雅英, 福澤秀哉, 久堀徹, 若林憲一
  • Organizer: 第16回クラミドモナス研究会
• [Presentation] カルシウム依存性カリウムチャネル KCA1 による脱繊_の抑制 (2023)
  • Author(s): 高橋里奈、朝比奈佑磨、宇佐美曉俊、内山志織 、箕浦高子 、吉村建二郎、久堀徹 、若林憲一
  • Organizer: 第16回クラミドモナス研究会
• [Presentation] クラミドモナスのグライディング開始に必要な TRP チャネル (2023)
  • Author(s): 伊藤音緒, 井須敦子, 若林憲一, 吉村建二郎
  • Organizer: 第16回クラミドモナス研究会
• [Presentation] Involvement of Chloroplast-localized Trx-like proteins in the Regulation of Non-Photochemical Quenching inArabidopsis thaliana (2023)
  • Author(s): Yuka Fukushi, Yuichi Yokochi, Ken-ichi Wakabayashi, Keisuke Yoshida, Toru Hisabori
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Isolation and analysis of non-phptotactic mutants that show alternate ciliary beatings in Chlamydomonas reinhardtii (2023)
  • Author(s): Kazuma Sakamoto, Akira Noga, Keisuke Ueno, Toru Hisabori, Ken-ichi Wakabayashi
  • Organizer: The 20th International Conference on the Cell and Molecular Biology of Chlamydomonas
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Relationship between photoreaction patterns of cilia and size evolution in Vovocales (2023)
  • Author(s): Noriko Ueki, Ken-ichi Wakabayashi
  • Organizer: The 20th International Conference on the Cell and Molecular Biology of Chlamydomonas
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Transition of photoresponse styles in cilia as a function of Reynolds number in Volvocales (2023)
  • Author(s): Noriko Ueki, Ken-ichi Wakabayashi
  • Organizer: The 7th International Volvox Comference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Reynolds-number-dependent ciliary regulation in the swimming green algae Volvocales (2023)
  • Author(s): Noriko Ueki, Ken-ichi Wakabayashi
  • Organizer: 第61回日本生物物理学会年会
• [Presentation] PSI 光防御における PGRL1 の機能解析 (2023)
  • Author(s): 高橋拓子 、高山健太、井須敦子、若林憲一、久堀徹、西山佳孝
  • Organizer: 第17回クラミドモナス研究会
• [Presentation] クラミドモナス除膜細胞モデル運動再活性化実験のコツ (2023)
  • Author(s): 若林憲一、植木紀子
  • Organizer: 第17回クラミドモナス研究会
• [Presentation] 緑藻クラミドモナスの 2 本の繊毛間における異種ダイニン間相互作用の相違 (2023)
  • Author(s): 猪川玲夫、高野和歌子、時田将嵩、若林憲一
  • Organizer: 第17回クラミドモナス研究会
• [Presentation] ボルボックス目の多細胞化に伴う流体環境の変化とそれに対する適応 (2023)
  • Author(s): 植木紀子、若林憲一
  • Organizer: 第17回クラミドモナス研究会
• [Presentation] クラミドモナスの過酸化水素に対する走化性の検証 (2023)
  • Author(s): 高野真由、前川優太、植木紀子、若林憲一
  • Organizer: 第17回クラミドモナス研究会
• [Presentation] ボルボックスからの繊毛の単離 (2023)
  • Author(s): 苗加彰、植木紀子、若林憲一
  • Organizer: 第17回クラミドモナス研究会
• [Presentation] 外腕ダイニン Ca2+結合軽鎖 LC4 欠損株の 2 本の繊毛の非同調運動 (2023)
  • Author(s): 上野恵資、久次史花、植木紀子、柴小菊、稲葉一男、若林憲一
  • Organizer: 第17回クラミドモナス研究会
• [Presentation] Photobehavior in the Volvocales green algae with different cell numbers: Chlamydomonas, Tetrabaena, and Volvox (2022)
  • Author(s): Ken-ichi Wakabayashi
  • Organizer: One-day workshop on the cellular level ethological dynamics towards “proto-intelligence”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The four-celled Volvocales green alga_Tetrabaena socialis_exhibits weak photobehavior and high-photoprotection ability (2022)
  • Author(s): Asuka Tanno, Yoko Arakaki, Noriko Ueki, Ryutaro Tokutsu, Jun Minagawa, Kenjiro Yoshimura, Toru Hisabori, Hisayoshi Nozaki and Ken-ichi Wakabayashi
  • Organizer: International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Regulation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Oxidative regulation of chloroplast ATP synthase by thioredoxin-like proteins (2022)
  • Author(s): Takatoshi Sekiguchi, Keisuke Yoshida, Ken-ichi Wakabayashi, Toru Hisabori
  • Organizer: International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Regulation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] TrxおよびTrx様タンパク質による葉緑体タンパク質の酸化制御 (2022)
  • Author(s): 福士結香, 横地佑一, 吉田啓亮, 若林憲一, 久堀徹
  • Organizer: 第12回日本光合成学会年会
• [Presentation] シアノバクテリアATP合成酵素αサブユニットのY252C変異 (2022)
  • Author(s): 町田亮人，近藤久益子，若林憲一，久堀徹
  • Organizer: 第12回日本光合成学会年会
• [Presentation] シアノバクテリアSynechococcus elongatus PCC 7942のチラコイド膜脂質合成経路の改変による細胞内の変化 (2022)
  • Author(s): 近藤久益子，吉見里奈, Egi Tritya Apdila, 若林憲一，粟井光一郎, 久堀徹
  • Organizer: 第12回日本光合成学会年会
• [Presentation] クラミドモナス繊毛交互打ち変異株の単離と解析 (2022)
  • Author(s): 坂本一馬, 井須敦子, 久堀徹, 若林憲一
  • Organizer: 日本動物学会第93回大会
• [Presentation] Analysis of a Chlamydomonas mutant showing alternate ciliary beatings (2022)
  • Author(s): 坂本一馬, 井須敦子, 久堀徹, 若林憲一
  • Organizer: 第60回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Trx様タンパク質による葉緑体ATP合成酵素の不活性化制御 (2022)
  • Author(s): 関口敬俊, 吉田啓亮, 若林憲一, 久堀徹
  • Organizer: 第95回日本生化学会大会
• [Presentation] 葉緑体ATP合成酵素のレドックス制御機構：γサブユニットのβ-hairpin構造とRedox loop構造の協調と活性調節 (2022)
  • Author(s): 秋山健太郎、小澤真一郎、高橋裕一郎、若林憲一、久堀徹
  • Organizer: 第48回日本生体エネルギー研究会
• [Book] he Chlamydomonas Sourcebook 3rd ed., Vol. 3, Chap. 16 (2023)
  • Author(s): Dieckmann, C., Wakabayashi, K., Hegemann, P., Kreimer, G.
  • Total Pages: 470
  • Publisher: Elsevier
  • ISBN: 9780128225080
• [Book] 分子細胞生物学 第9版 (2023)
  • Author(s): Lodish,Berk,Kaiser,Krieger,Bretscher, Ploegh, Martin, Yaffe, Amon著,堅田利明,須藤和夫,山本啓一監訳, 岩井佳子,上村慎治,北川大樹,齋藤康太,坪井貴司,富田泰輔,名黒功,仁科博史,宮澤恵二,山本啓一,若林憲一訳
  • Total Pages: 1112
  • Publisher: 東京化学同人
  • ISBN: 9784807920518