2018 Fiscal Year Research-status Report
Mechanisms of ultra-fast excitation energy dissipation in lichens, algae, mosses and plant under drought stress and its application
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17K07440
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
伊藤 繁 名古屋大学, 理学研究科, 名誉教授 (40108634)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
井原 邦夫 名古屋大学, 遺伝子実験施設, 准教授 (90223297)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 光合成 / 乾燥耐性 / 地衣類 / コケ類 / 細胞内共生 / クロロフィル / 蛍光寿命 / 励起エネルギー移動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
樹皮や岩表面に生育する地衣類（緑藻類やシアノバクテリアを内部共生する菌類）は、通常の植物が枯れてしまう「乾燥状態・長時間強光」下でも死なない。雨や霧で再湿潤するとすぐさま活性を回復する。彼らは、光合成が止まる乾燥状態で、光がラジカルを作るのを防止する未解明の分子機構をもつ。この機構の解明を進めた。
乾燥耐性の地衣類、コケ、植物中で、乾燥で誘導される、過剰光エネルギー散逸機構（d-NQP）を詳しく調べ、その分子機構を検討した。この結果、乾燥耐性生物として知られる地衣類の多く（55種以上）でこの特性を確認し検討した。分類学者の協力を仰ぎ野外採取を共同で行い、同一試料の半分は当方が実験室に持ち帰り超高速蛍光寿命測定に使用し、残りは分類学者が持ち帰り種同定をするという方法で多数種を検討した。乾燥時の光エネルギーの移動・熱散逸過程を、我々が開発した分光装置により室温と低温77Kでの超高速ピコ秒領域でのクロロフィル蛍光寿命の変化として直接観察し、理論解析し、複数の過剰エネルギー散逸機構を発見し、分子機構と遺伝子情報も検討した。さらに広範な乾燥耐性光合成生物種（地衣類＝菌類と藻類の共生体、維管束をもたないコケと藻類、維管束植物、シアノバクテリア）を対象に、この現象を探索し、その共通分子機構と多様性、発動条件を調べた。新たな研究連携を作り、同定や扱いの困難であった光合成生物種を対象に、乾燥条件下での光合成反応の解析方法を開発した。このエネルギー散逸機構について、論文・学会発表をおこなった。この関連で、多種の光合成系におけるエネルギー/電子移動機構を検討した。新種のクロロフィルfをもつシアノバクテリア、新たに構造が決定された最も原始的なヘリオバクテリアの光合成反応中心上でのエネルギー移動機構の理論と電子移動機構、光合成系の進化などを含め、論文2編、学会発表6件（国際学会５件）を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
地衣類のd-NPQ現象：我々は地衣類を観察し、乾燥条件下では、内部共生藻の光化学系Ⅱ（PSⅡ）上の励起エネルギーが超短時間（１０ps程度）で完全消失することを、超高速レーザ分光法による蛍光寿命測定で発見した。この短寿命化は可逆的で、水の再添加で数分以内に回復する。これ以前には、地衣類のクロロフィル蛍光強度が乾燥で低下するHeber＝共同研究者の報告があったが機構は不明だった。我々の蛍光寿命研究は、既知のNPQ(nonphotochemical quenching)機構とは違う新しいdrought induced-NPQ機構をあきらかにし、新研究法も与えた。地衣類は、通常植物で光照射下で見られるNPQよりも、１０倍以上強力な蛍光減少を乾燥時に示す。d-NPQは、見かけ上はNPQ機構と似ている。しかし後者は脱水状態では起こらず、蛍光寿命促進も桁違いに小さいので、蛍光寿命の違いから両者ははっきり区別され、分子機構も異なることが示された。 地衣類研究はホストである菌類と、ゲストである藻類の両方を考えなくてはならない。境界領域にある共生生物である地衣類の光合成の研究例は少ない。国内外の地衣類研究者数も数十名と少なく分類に偏る。「地衣類のピコ秒蛍光測定」は初めてで、これまでの光合成研究の常識を覆した。地衣類50種を採取、測定した。発表論文を媒介に海外（ドイツ、オランダ）との共同研究も行った。
地衣類共生藻類の多くはd-NPQを示し、種ごとに違う特性を示した。乾燥応答は４型に類型化でき、そのうち３類型（大部分）がd-NPQ特性を示した。維管束系を持たない藻類、シアノバクテリア、コケ植物の一部でも、このd-NPQ現象をさらに発見し、複数の機構を見つけた。この類型化はコケや高騰植物の一部についても当てはまることを示した。
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| Strategy for Future Research Activity |
「地衣類での研究」：内部構造と藻類細胞の所在部分が複雑な地衣類だけでなく、コケでもd-NPQ研究が可能となり、複数のメカニズムがわかってきた。しかし、共生生物である地衣類での研究では細胞レベルでの研究展開が簡単でなない。例えば、内部共生藻類や共生シアノバクテリアを単離培養はできる。しかし、その性質は培養条件により変わることもある。一方、野外採取の資料では、個体差、固体内部位での違い、季節や気候による変動も、慎重に検討する必要がある。これらについては、ある程度検討がすすみつつある。すでに得たデータの検討を進め、論文化する予定である。
「地衣類以外での研究」：地衣類研究での大きな問題点は、培養法、細胞の破壊法、葉緑体や光合成タンパク質の単離法がある程度確立されているの対象生物を利用することで解決できると考えている。コケの一部では、in vitroで細胞レベルでの研究を展開できる。このような種の、乾燥耐性や、光合成についても研究を広げつつあり、新発見が期待できる。新たに８種のコケ（セン類）が乾燥耐性を示すことがわかった。一方ゼニゴケのような苔類は乾燥耐性を示さないこともわかった。この違いを遺伝情報も含めて明らかにできれば面白い。共同研究者との遺伝子解析をすすめる。
乾燥耐性の課題は維管束植物にも重要である。我々が開発した超高速蛍光寿命測定による解析法は、他の蛍光測定法とは違い、この分子機構の直接情報を与える。高度な現有設備を有効活用して、さらに多くの情報を蓄積する予定である。
「凍結耐性・進化」：地衣類やコケ、高等植物の一部では、乾燥耐性は凍結耐性と深く関係していることもわかってきた。この関連性についても検討をすすめる。これらを通じて、光合成生物・植物の進化、地上進出といった、より大きな問題に関しても研究展開する。応用も期待される。
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| Causes of Carryover |
前年度に、遺伝子研究などに必要とされる人件費増などで当初計画額を超える直接経費の使用がみこまれ、前倒し支払い40万円を請求し、認められた。このうち未使用分172269円が 次年度使用額として繰り越されている。この資金は当初計画申請書にある研究の遂行に使用し、研究目的達成に資する。
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