二酸化炭素のセンシングと光合成制御機構の解明

• Project Area: Environmental sensing of plants: Signal perception, processing and cellular responses
• Project/Area Number: 25120714
• 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: Kyoto University
• Principal Investigator: 福澤 秀哉 京都大学, 生命科学研究科, 教授 (30183924)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000); Fiscal Year 2014: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2013: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
• Keywords: 二酸化炭素 / シグナル伝達 / カルシウム / 輸送体 / DYRK / Yak1 / クラミドモナス / 窒素飢餓 / 光合成 / センサー / ピレノイド / 環境 / 葉緑体

Outline of Annual Research Achievements

CO2濃縮機構を制御する因子CCM1とMYB転写因子LCR1を、緑藻クラミドモナスからこれまでに同定しているが、光合成生物においてCO2センサーやCO2シグナル伝達経路の全体像は明らかでない。CO2シグナル伝達因子を新たに同定するために、矩形波パルスによる高効率エレクトロポレーション法（Yamano et al., J. Biosci. Bioeng. 2013）を用いて、約20,000株のDNAタグindexライブラリーを作成し、この中から、低CO2 (LC)条件下で生育が遅延する高CO2 (HC)要求性変異株を３株単離した。３株とも野生株と比べて低CO2誘導性のCO2濃縮能が減少していた。特に、H82では細胞膜と葉緑体包膜にそれぞれ局在する無機炭素輸送体HLA3とLCIAの蓄積が失われていた。さらに、本来ピレノイドに集合するべきLCIBが葉緑体全体に広がった。H82株がHC要求性を示す原因は、無機炭素輸送体HLA3とLCIAの発現不良と、LCIBの局在異常による可能性が示唆された。H82の変異原因遺伝子は、シロイヌナズナの葉緑体カルシウムセンサー(CAS)の相同遺伝子であったことから、CO2センシングにカルシウムが係わる可能性が示唆された（Wang et al., Photosynth. Res. 2014）。また、窒素源が枯渇すると、細胞は酢酸を取り込みトリアシルグリセロール（TAG）に転換・蓄積するとともに、光合成を停止して次の世代を準備する。今回単離した低TAG蓄積変異株tar1-1は、取り込んだ酢酸を20％にしかTAGに転換できず、光合成の停止が遅れた。変異を相補する遺伝子の産物は、チロシン残基のリン酸化により活性化をうけるタンパク質リン酸化酵素DYRKであった。TAG蓄積がタンパク質リン酸化酵素により制御を受けることを今回初めて明らかにした。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Characterization of cooperative bicarbonate uptake into chloroplast stroma in the green alga Chlamydomonas reinhardtii. (2015)
  • Author(s): Takashi Yamano, Emi Sato, Hiro Iguchi, Yuri Fukuda, Hideya Fukuzawa
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sc.i USA Volume: -
  • NAID: 120005611393
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Algal dual-specificity tyrosine-phosphorylation-regulated kinase TAR1 regulates accumulation of triacylglycerol in nitrogen- or sulfur-deficiency (2015)
  • Author(s): Masataka Kajikawa, Yuri Sawaragi, Haruka Shinkawa, Takashi Yamano, Akira Ando, Misako Kato, Masafumi Hirono, Naoki Sato, Hideya Fukuzawa
  • Journal Title: Plant Physiol. Volume: - Issue: 2 Pages: 752-764
  • DOI: 10.1104/pp.15.00319
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Isolation and characterization of novel high-CO2-requiring mutants of Chlamydomonas reinhardtii (2014)
  • Author(s): Wang, L., Yamano, T., Kajikawa, M., Hirono, M., Fukuzawa, H.
  • Journal Title: Photosynth. Res. Volume: 121 Issue: 2-3 Pages: 175-184
  • DOI: 10.1007/s11120-014-9983-x
  • NAID: 120005385881
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Isolation and characterization of mutants defective for suborganellar localization of LCIB, an essential factor for carbon-concentrating mechanism in Chlamydomonas reinhardtii. (2014)
  • Author(s): Takashi Yamano, Atsuko Asada, Emi Sato, Hideya Fukuzawa*
  • Journal Title: Photosynth. Res. Volume: 未定 Issue: 2-3 Pages: 193-200
  • DOI: 10.1007/s11120-013-9963-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Rapid transformation of Chlamydomonas reinhardtii without cell-wall removal. (2013)
  • Author(s): Takashi Yamano
  • Journal Title: J. Biosci. Bioeng. Volume: 115 Issue: 6 Pages: 691-694
  • DOI: 10.1016/j.jbiosc.2012.12.020
  • NAID: 110009614956
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 葉緑体カルシウムセンサーホモログCrCASは緑藻無機炭素輸送体の発現に必要である (2015)
  • Author(s): 王 連勇、山野 隆志、高根 俊輔、津田 高佑、得津 隆太郎、廣野 雅文、皆川 純、福澤 秀哉
  • Organizer: 第56回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 東京農業大学
  • Year and Date: 2015-03-16 – 2015-03-18
• [Presentation] 細胞膜HLA3と葉緑体包膜LCIAは重炭酸輸送に協調的に働き、低CO2環境において光合成を維持する (2015)
  • Author(s): 山野 隆志、佐藤 江美、井口 ひろ、福田 有里、福澤 秀哉
  • Organizer: 第56回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 東京農業大学
  • Year and Date: 2015-03-16 – 2015-03-18
• [Presentation] 窒素栄養欠乏下における緑藻クラミドモナスの脂質蓄積異常変異体tar1-1の解析 (2015)
  • Author(s): 梶川 昌孝、椹木 裕里、新川 はるか、山野 隆志、安藤 晶、加藤 美砂子、廣野 雅文、佐藤 直樹、福澤 秀哉
  • Organizer: 第56回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 東京農業大学
  • Year and Date: 2015-03-16 – 2015-03-18
• [Presentation] Molecular components of carbon-dioxide-sensing and regulation of carbon-concentrating mechanism in a green alga, Chlamydomonas reinhardtii. (2015)
  • Author(s): Hideya Fukuzawa, Lianyong Wang, Takashi Yamano and Shunsuke Takane
  • Organizer: 2nd International Symposium on Plant Environmental Sensing.
  • Place of Presentation: 産業技術総合研究所 臨海副都心センター ＜別館＞
  • Year and Date: 2015-03-13 – 2015-03-15
• [Presentation] 葉緑体包膜と細胞膜におけるHCO3–輸送体 (2014)
  • Author(s): 山野隆志、佐藤江美、井口ひろ、福澤秀哉
  • Organizer: 第11回 クラミドモナス研究会
  • Place of Presentation: 高知市
  • Year and Date: 2014-10-03 – 2014-10-04
• [Presentation] トリアシルグリセロールおよびデンプン蓄積の新奇制御因子 TAR1 の単離 (2014)
  • Author(s): 梶川昌孝、椹木裕里、新川はるか、山野隆志、安藤晶、加藤美砂子、廣野雅文、佐藤直樹、福澤秀哉
  • Organizer: 第11回 クラミドモナス研究会
  • Place of Presentation: 高知市
  • Year and Date: 2014-10-03 – 2014-10-04
• [Presentation] HLA3 and LCIA are associated with inorganic carbon transport in Chlamydomonas reinhardtii. (2014)
  • Author(s): Takashi Yamano, Emi Sato, Hiro Iguchi, Hideya Fukuzawa
  • Organizer: 16th International Conference on the Cell and Molecular Biology of Chlamydomonas
  • Place of Presentation: Pacific Grove, CA, USA
  • Year and Date: 2014-06-08 – 2014-06-13
• [Presentation] Characterization of low-TAG accumulating mutant in Chlamydomonas reinhardtii (2014)
  • Author(s): Masataka Kajikawa, Yuri Sawaragi, Haruka Shinkawa, Takashi Yamano, Masafumi Hirono, Naoki Sato, Hideya Fukuzawa
  • Organizer: 16th International Conference on the Cell and Molecular Biology of Chlamydomonas
  • Place of Presentation: Pacific Grove, CA, USA
  • Year and Date: 2014-06-08 – 2014-06-13
• [Presentation] CO2-requiring mutants defective in CCM-induction generated by high frequency transformation with square electric pulses (2014)
  • Author(s): Lianyong Wang, Takashi Yamano, Masataka Kajikawa, Masafumi Hirono, Hiro Iguchi, Hideya Fukuzawa
  • Organizer: 16th International Conference on the Cell and Molecular Biology of Chlamydomonas
  • Place of Presentation: Pacific Grove, CA, USA
  • Year and Date: 2014-06-08 – 2014-06-13
• [Presentation] 緑藻クラミドモナスにおける新規高CO2要求性変異株の単離の解析 (2014)
  • Author(s): 高根俊輔、山野隆志、福澤秀哉
  • Organizer: 第５回日本光合成学会年会
  • Place of Presentation: 近畿大学農学部奈良キャンパス
  • Year and Date: 2014-05-30 – 2014-05-31
• [Presentation] Isolation and characterization of novel high-CO2 requiring mutants of Chlamydomonas reinhardtii (2014)
  • Author(s): 王連勇、山野隆志、梶川昌孝、廣野雅文、福澤秀哉
  • Organizer: 第５回日本光合成学会年会
  • Place of Presentation: 近畿大学農学部奈良キャンパス
  • Year and Date: 2014-05-30 – 2014-05-31
• [Presentation] 細胞膜に局在する HLA3 と葉緑体包膜に局在する LCIA は緑藻クラミドモナスの HCO3–輸送に働く (2014)
  • Author(s): 山野隆志、佐藤江美、井口ひろ、福田有里、福澤秀哉
  • Organizer: 第５回日本光合成学会年会
  • Place of Presentation: 近畿大学農学部奈良キャンパス
  • Year and Date: 2014-05-30 – 2014-05-31
• [Presentation] 細胞膜に局在するHLA3と葉緑体包膜に局在するLCIAは緑藻クラミドモナスのHCO3-輸送に働く (2014)
  • Author(s): 山野 隆志、佐藤 江美、福澤 秀哉
  • Organizer: 第55回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 富山大学
• [Presentation] Cah4-Luc株を用いたランダム遺伝子挿入によるCCM新規調節因子の探索 (2013)
  • Author(s): 古谷 憲一、久保 雄昭、梶川 昌孝、福澤 秀哉
  • Organizer: 日本植物学会第77回大会
  • Place of Presentation: 札幌
• [Presentation] 緑藻の無機炭素濃縮機構に必須な因子LCIBの局在異常変異株の単離と解析 (2013)
  • Author(s): 山野 隆志、浅田 温子、福澤 秀哉
  • Organizer: 日本植物学会第77回大会
  • Place of Presentation: 札幌
• [Presentation] 緑藻クラミドモナスの低CO2誘導性無機炭素輸送体の機能解析 (2013)
  • Author(s): 佐藤 江美、山野 隆志、福澤 秀哉
  • Organizer: 日本植物学会第77回大会
  • Place of Presentation: 札幌
• [Book] 光合成のエネルギー変換と物質変換 (2015)
  • Author(s): 福澤秀哉（分担執筆）杉浦美羽、伊藤繁、南後守編
  • Total Pages: 281
  • Publisher: 化学同人
• [Book] 微細藻類の大量生産・事業化に向けた培養技術 (2013)
  • Author(s): 福澤秀哉
  • Total Pages: 220
  • Publisher: 情報機構
• [Remarks] 京都大学大学院生命科学研究科 微生物細胞機構学分野
  • URL: http://www.molecule.lif.kyoto-u.ac.jp/
• [Remarks] 京都大学大学院生命科学研究科微生物細胞機構学
  • URL: http://www.lif.kyoto-u.ac.jp/labs/molecule/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 3段階方式矩形波多重パルスを利用した藻類細胞への遺伝子導入法 (2013)
  • Inventor(s): 福澤秀哉、山野隆志、伊福健太郎、早川靖彦
  • Industrial Property Rights Holder: 福澤秀哉、山野隆志、伊福健太郎、早川靖彦
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2013-07-02
  • Acquisition Date: 2015-04-03
• [Patent(Industrial Property Rights)] 3段階方式矩形波多重パルスを利用した藻類細胞への遺伝子導入法 (2013)
  • Inventor(s): 福澤秀哉、山野隆志、伊福健太郎、早川靖彦
  • Industrial Property Rights Holder: 福澤秀哉、山野隆志、伊福健太郎、早川靖彦
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2013-138581
  • Filing Date: 2013-07-02