2019 Fiscal Year Research-status Report
Study on a resistibility mechanism - Mehler reaction - of photosynthesis against light stress in conifer
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19K06148
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
津山 孝人 九州大学, 農学研究院, 助教 (10380552)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 光合成 / 酸素還元反応 / メーラー反応 / 被子植物 / 裸子植物 / 針葉樹 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
植物の成長に光は必須であるが、強過ぎる光は害となる。これは、強光が光合成の阻害（光阻害「ひかりそがい」）を引き起こすためである。進化の過程で植物は、光阻害を回避する様々な仕組みを発達させてきた。その一つに葉緑体チラコイド膜における酸素還元反応―メーラー（Mehler）反応―がある。申請者らは以前、裸子植物（針葉樹）は被子植物よりも同反応の能力が約10倍高いことを見出した。本研究では、針葉樹におけるメーラー反応の制御機構および生理的意義を明らかにすることを目的とする。
光合成電子伝達反応はチラコイド膜における二つの光化学系（系Iおよび系II）によって駆動される。まず、系Ⅱにおいて光のエネルギーを利用して水分子が分解され、生成した電子が電子伝達鎖に供給される。電子は系Ⅱから系Ⅰを経てNADP+へと伝達される。生成したNADPHは化学エネルギーとして炭酸固定やその他の代謝で消費される。メーラー反応は、電子受容体としてのNADP+が不足する状況下、系Ⅰ下流で起きる酸素還元反応である。
申請者は、「被子植物ではなぜメーラー反応が小さいか？」についても調べた。シロイヌナズナ（被子植物におけるモデル植物）の各種変異体を用いて調べた結果、系Ⅰサイクリック電子伝達反応の能力が高いとメーラー反応が小さくなることが分かった。すなわち、系Ⅰ下流でメーラー反応と系Ⅰサイクリック電子伝達反応は競合する。そこで作業仮説を、「針葉樹ではサイクリック電子伝達反応が小さいためにメーラー反応が大きい。」とした。
本年度は、遅延蛍光法を応用してサイクリック電子伝達反応の解析を試みた。光強度やガス組成を様々に設定した条件下で、系Ⅰサイクリック電子伝達反応と遅延蛍光との関係を調べた。その結果、系Ⅰサイクリック電子伝達反応の解析に向けた基礎的知見を蓄積することができた。
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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
メーラー反応を解析するためには、同反応と競争する系Ⅰサイクリック電子伝達反応の検出および解析が欠かせない。しかし、系Ⅰサイクリック電子伝達反応は検出さえ未だに難しい。そこで申請者は、遅延蛍光法による解析を試みた。遅延蛍光法による系Ⅰサイクリック電子伝達反応の検出そのものは以前から可能であったが、同反応を欠くシロイヌナズナ突然変異体を用いた詳細な解析はなされていない。突然変異体を用いることで解析の信頼性と精度を向上させることが可能となる。
系Ⅰサイクリック電子伝達反応は二つの経路からなると考えられている。一つは葉緑体NADH dehydrogenase-like complex（NDH複合体）依存の経路、もう一つはProton Gradient Regulation 5（PGR5）タンパク質依存の経路である。系Ⅰサイクリック電子伝達反応は、遅延蛍光法において、連続光照射後の蛍光強度の一時的な増大（肩［shoulder］）として検出される。現在までの所、上記の経路を欠くシロイヌナズナ突然変異体を用いることで、系Ⅰサイクリック電子伝達反応の二つの経路を分けて解析することが可能となった。また、サイクリック電子伝達反応の阻害剤（アンチマイシンA）を用いた解析も同時に進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
申請者らはこれまで、メーラー反応および系Ⅰサイクリック電子伝達反応について、クロロフィル蛍光法を応用することで、両反応の相対的な最大能力を調べてきた。今後は、メーラー反応をより定量的に解析するために電子スピン共鳴法を応用する。電子スピン共鳴法では、メーラー反応の過程で生成するモノデヒドロアスコルビン酸（MDA）ラジカルを検出することができる。
電子スピン共鳴法が有効なのは、メーラー反応が非酵素的に起き、スーパーオキシド（O2-）が生成する場合である。MDAラジカルはスーパーオキシドを消去する過程で生じ、全ての被子植物がこのタイプに属すると予想される。一方、裸子植物（針葉樹）ではフラボジアイロンタンパク質（Flv）がメーラー反応を触媒する（酸素還元の結果、直接、水が生成する）。従って、裸子植物ではMDAラジカルは生じず、電子スピン共鳴法によるメーラー反応の評価はできないかもしれない。この場合、実験条件を様々に設定し、非酵素的なメーラー反応をも検出できる条件を探索する必要がある。裸子植物において想定される二つのメーラー反応（酵素的および非酵素的）の生理的意義を環境ストレス耐性の観点から検討する。
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| Causes of Carryover |
研究に欠かせない機器（マスフローメーター）が故障したため修理をした。修理費用は計上していなかったため、その分の穴埋めをするために、消耗品の購入を大幅に控えた。また、修理後の機器の復帰に予想以上の手間がかかり、消耗品を使用する実験自体が減ったことも消耗品費抑制の結果となった。実験材料を国内の研究機関（農業生物資源ジーンバンク、岡山大学資源植物科学研究所）から無償で入手できたため、その費用が削減できた。年度末の出張はすべてキャンセル（新型肺炎の感染拡大を受けて学会年会が中止となった）したため、旅費の支出が大幅に減った。その他、出張先機関から出張費の支出を受けたことも旅費の抑制に繋がった。
次年度以降、通常のランニングコストを抑えつつ、当初計画に沿った支出に近づけるように努める。具体的には、実験で使用する機器のメンテナンスや付属機器（パソコン）の更新を行う。また、予定している電子スピン共鳴の実験では、学内の共通機器を使用するものの、利用料（数千円/１測定）が相当嵩むと思われる。今後はまた、新型肺炎に対する国や大学の対応にもよるが、これまで控えていた出張を積極的に行い、研究を一層促進するよう努める。
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