2021 Fiscal Year Annual Research Report
Comprehensive study of excessive light stress response in plants
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21H05040
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| Research Institution | National Institute for Basic Biology |
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Principal Investigator |
皆川 純 基礎生物学研究所, 環境光生物学研究部門, 教授 (80280725)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村田 和義 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究, 生命創成探究センター, 特任教授 (20311201)
山本 大輔 福岡大学, 理学部, 教授 (80377902)
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| Project Period (FY) |
2021-07-05 – 2026-03-31
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| Keywords | 光合成 / 葉緑体 / 環境適応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１． 光エネルギーがCO2固定能力を超えると、緑藻クラミドモナスは光保護タンパク質であるLHCSR1/3とPSBSを介した光保護機構とCO2濃縮機構を作動させる。光とCO2のシグナルがどのように連関してこれらのプロセスを制御しているかは不明であったので、細胞内CO2濃度を変化させ光保護およびCCM関連遺伝子の発現調節を詳しく調べた。その結果、過剰光存在下光保護およびCCM関連遺伝子の発現が活性化されること、また、低CO2条件が完全暗黒下でもこれらの反応を促進することが明らかとなった。呼吸や光合成の障害に由来する高いCO2濃度は、LHCSR1タンパク質を安定化させる一方で、LHCSR3遺伝子やCCM関連遺伝子の発現を抑圧することがわかった。この研究により、CO2と光がCCMと光保護に及ぼす影響を明らかにすることができ、光がこれらのプロセスに間接的に影響を与えることが実証された。
2. 植物の光アンテナLHCII三量体は、主要なアンテナ複合体と光酸化損傷から保護するクエンチャーとして機能している。これまでタンパク質複合体の再編成は生理的な制御によって起こるにもかかわらず、その結合位置によるLHCIIの構造変化については調べられていなかった。そこでクラミドモナスの3種類の光化学系超複合体における同一のLHCII三量体の構造を比較することで、LHCIIのコンフォメーション差異について詳しく検討した。その結果、緑藻PSII超複合体において、同一LHCII三量体であってもLHCIIの結合位置によりクロロフィルの配置やポリペプチドのコンフォメーションに明確な違いがあることが明らかとなり、超複合体内励起エネルギーの流れにまで影響が及ぶ可能性が示された。
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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
研究は端緒についたばかりであり、研究項目の多岐に亘り展開を始めた段階であるが、ほぼすべての研究項目において研究は順調に進展している。すでに複数の成果も出ている。また、当初計画そのままで進めた場合では期待値が低いと判断した個別課題については、基盤技術の根本的な整備を図ると同時に、予備課題を立ち上げるなどテコ入れも図った。その結果、想定を超える結果もあがり、今後の研究展開において、緑藻、陸上植物双方の光環境適応戦略を理解を深める上での重要な布石となる課題に発展することが確実となり、論文執筆に取り掛かった。
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| Strategy for Future Research Activity |
培養の光環境を変化させた上でのクラミドモナス光化学系精製は技術的困難を伴うため、そもそも別の光環境に適応した藻類種より光化学系精製を試みることに着手する。進化的な考察も考慮し、対象を原始緑藻に定め、光化学系を分離し、精製した上で構造解析を試みる。その上で、分光特性、生化学特性、生理学的特性を明らかにする。
緑藻類においては、非光化学消光（NPQ）は光保護タンパク質LHCSR1、LHCSR3、PsbSによって制御されているが、これらがともに過剰発現させることによる効果は明らかではない。最近、過剰光に対して抵抗力のない変異株photの復帰変異株がこの表現型を持つことが明らかとなった。そこで、この変異株を用い、同変異がクラミドモナス細胞に与える生理的影響を詳細に解析する。
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