2020 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（種数で換算すると裸子植物の7割は針葉樹）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や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、生成した電子は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。この一連の反応はリニア（linear）電子伝達反応と呼ばれる。リニア電子伝達反応の結果、生成したNADPHは炭酸固定やその他の代謝系で消費される。メーラー反応は、リニア電子伝達反応において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。
針葉樹におけるメーラー反応の制御機構を調べるために、被子植物のモデル植物シロイヌナズナを用いた。シロイヌナズナの各種変異体を用いて解析を行った結果、系Ⅰサイクリック（cyclic）電子伝達反応が大きいとメーラー反応が小さくなることが分かった。系Ⅰサイクリック電子伝達反応は、系Ⅰ下流のNADPHからPQ（プラストキノン：系Ⅱと系Ⅰとの間の電子伝達体）へ電子を戻す反応である。先行研究において、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ことが示唆されている。すなわち、針葉樹（裸子植物）と被子植物とは、これら二つの電子伝達反応のバランスが異なること考えられた。
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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解析が欠かせない。問題は、サイクリック電子伝達反応はメーラー反応と異なり、反応の最終産物が無いために検出が難しいことにある。なお、メーラー反応の産物はスーパーオキシド（O2-）であり、質量分析法により検出できる。申請者は、サイクリック電子伝達反応の検出を遅延蛍光法によって行った。その結果、系Ⅰサイクリック電子伝達反応は、連続光照射後（消灯後）の蛍光強度の一時的な増大（肩, shoulder）として検出できた。この肩は、強光下のみならず、弱光下でも検出されたことから、サイクリック電子伝達反応は弱光下でも機能することが示唆された。また、針葉樹で肩は小さく、サイクリック電子伝達反応の抑制が示唆された。サイクリック電子伝達の阻害剤（アンチマイシンA）が及ぼす遅延蛍光への影響も調べた。アンチマシンAはサイクリック電子伝達の解析に古くから用いられてきた経緯がある。現在、アンチマシンA処理の遅延蛍光の上記の肩への影響を基にサイクリック電子伝達反応の制御を解析している。
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| Strategy for Future Research Activity |
遅延蛍光法の利点はその感度の高さにある。今後はこの利点を活かしてサイクリック電子伝達反応の制御機構や生理的意義を調べる。これにより、競合するメーラー反応についても解析が可能になると思われる。一方で、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。電子スピン共鳴法により、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。MDAラジカルはメーラー反応で生成したスーパーオキシド（O2-）を消去する過程で生じる。被子植物では問題ないが、裸子植物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。この場合、メーラー反応による酸素還元の後、スーパーオキシドは生成せずに、直接、水ができる。裸子植物ではMDAラジカルも生じず、電子スピン共鳴法によるメーラー反応の評価もできないかもしれない。そうなると、メーラー反応の定量実験は他の手法（質量分析法）に譲るしかないが、現状では本研究での実施は難しい。しかし、（裸子植物においてMDAラジカルが生じない場合、）葉緑体における活性酸素の消去系の全体像が裸子植物は被子植物と大きくことなることが考えられる。本研究でもこの点までは確定できるように努める。
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| Causes of Carryover |
現有の分子光度計は40年以上前の製品で測定の安定性と精度に大きな問題があった。そのため新規に分光光度計を購入した。前年度からの繰越金もあったが、購入費用を捻出するために消耗品の購入を極度に控えた。新型コロナ肺炎の蔓延防止策として学会がオンラインで開催され、また、出張もオンライン会議で代用したため旅費の支出も一切なかった。結果として、上記の装置の新規購入にも関わらず、次年度使用額が生じた。次年度以降、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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