プロトン勾配による集光のフィードバック制御

• Project Area: New Photosynthesis : Reoptimization of the solar energy conversion system
• Project/Area Number: 16H06553
• 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: National Institute for Basic Biology
• 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)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 秋本 誠志 神戸大学, 理学研究科, 准教授 (40250477) ; 園池 公毅 早稲田大学, 教育・総合科学学術院, 教授 (30226716)
• Project Period (FY): 2016-06-30 – 2021-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥154,700,000 (Direct Cost: ¥119,000,000、Indirect Cost: ¥35,700,000); Fiscal Year 2020: ¥30,030,000 (Direct Cost: ¥23,100,000、Indirect Cost: ¥6,930,000); Fiscal Year 2019: ¥30,420,000 (Direct Cost: ¥23,400,000、Indirect Cost: ¥7,020,000); Fiscal Year 2018: ¥30,680,000 (Direct Cost: ¥23,600,000、Indirect Cost: ¥7,080,000); Fiscal Year 2017: ¥29,900,000 (Direct Cost: ¥23,000,000、Indirect Cost: ¥6,900,000); Fiscal Year 2016: ¥33,670,000 (Direct Cost: ¥25,900,000、Indirect Cost: ¥7,770,000)
• Keywords: エネルギー散逸 / 光合成

Outline of Annual Research Achievements

１．NPQ作動原理の解明 IV ― NPQ作動原理の解明には、PSII-LHCII超複合体の構造情報が必須である。アンフィポールを応用したそのために重要な安定単離方法が前年度に確立された。本年度は、この技術を応用し、まず非イオン型アンフィポールを用い、クライオ電顕単粒子法によりクラミドモナスのPSII-LHCII超複合体の構造を解像度5.8Åで決定した。始めて10オングストロームを切ったそのC2S2M2L2構造からは、特にLHCIIのL三量体の結合様式や新たな周辺PSIIサブユニットの存在が明らかになった。更にイオン型アンフィポールを用いて解像度を3.4オングストロームに上げた結果、全てのクロロフィルの結合の詳細が決定され、緑藻のPSII-LHCII超複合体における励起エネルギー移動様式が明らかとなった。
２．強光シグナル伝達系の解明IV ― 昨年度のLHCSR3遺伝子の発現制御に続き、LHCSR1遺伝子の発現制御を明らかにするため、luc遺伝子を用いたクラミドモナス発現レポーターアッセー系を構築し、LHCSR1の発現変異株を単離した。その結果、植物ではUV応答に関わるUVR8、植物では花成にかかわるCONSTANS、NF-YB等の変異株が得られた。詳しい解析の結果、まずUVR8が紫外線に応答し、これに植物では光形態形成応答の主要因子であるCOP1/SPA1 E3リガーゼが負に制御を受けること。LHCSR1およびLHCSR3はCONSTANS/NF-YB/NF-YC転写因子複合体によって転写を受けるが、これがCOP1/SPA1によって負に制御を受けていることが明らかとなり、LHCSR1の紫外線応答が解明された。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究には、３つの柱がある。１）NPQ作動原理の解明、２）強光シグナル伝達系の解明、３）NPQの生理作用点の解明。本年度は昨年度の技術的なブレークスルーが起爆剤となり、１）の研究が予想外に大展開した、また２）の変異株の解析も昨年度とはまた別な方向に大きく進展し、１）、２）ともに当初の予想を大幅に超えて研究は進展している。一方、NPQ生理作用点の解明については、同分野で世界的な研究の流れが変わってきてり、実験系の改良に時間を重ねてきて、やっと目処がたったところであり、当初遅れ気味だった研究が予定に追いついた。全体としてみれば、「おおむね順調に進展している」との評価とする。

Strategy for Future Research Activity

１．NPQ作動原理の解明 V：強光条件と弱光条件の植物チラコイド膜を用い、アンフィポール技術によりPSII-LHCII超複合体を調整する。双方の超複合体のNPQ能力を測定し、超複合体構造とエネルギー散逸機構の関係を比較検討する。緑藻PSII-LHCII-LHCSR3超複合体の構造解析。前年度始めて観察された緑藻PSII-LHCII-LHCSR3超複合体は収率が極端に悪かった。この収率向上を図り、構造解析を目指す。
２．強光シグナル伝達系の解明V：強光条件と弱光条件のクラミドモナス細胞内カルシウム濃度のリアルタイムイメージングを行い、強光シグナルと細胞内カルシウム、特に細胞内カルシウムストアからのカルシウム発出との関連を明らかにする。
３.NPQによる光化学系II保護機構の解明II：強光にさらされた緑藻細胞はNPQ機能がないと白化する。NPQ機能によりPSIIの光阻害は軽減されるが、強光によるPSIIの光阻害の結果白化がもたらされるのか、あるいはPSIIの光阻害と白化は別に進行するのか、明らかにすることにより、NPQの生理的作用点を明らかにする。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 中国科学院(中国)
• [Int'l Joint Research] ロンドン大学クイーンメリー(英国)
• [Int'l Joint Research] フリードリヒ・シラー大学イェーナ校(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Chinese Academy of Sciences(中国)
• [Journal Article] Characterization of a giant photosystem I supercomplex in the symbiotic dinoflagellate Symbiodiniaceae (2020)
  • Author(s): Hiroki Kato, Ryutaro Tokutsu, Hisako Kubota-Kawai, Raymond N. Burton-Smith, Eunchul Kim, Jun Minagawa
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 183 Pages: 1725-1734
  • DOI: 10.1104/pp.20.00726
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multimeric and monomeric photosystem II supercomplexes represent structural adaptations to low- and high-light conditions (2020)
  • Author(s): Eunchul Kim, Akimasa Watanabe, Christopher D. P. Duffy, Alexander V. Ruban, Jun Minagawa
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 295 Pages: 14537-14545
  • DOI: 10.1074/jbc.ra120.014198
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Loss of symbiont infectivity following thermal stress can be a factor limiting recovery from bleaching in cnidarians (2020)
  • Author(s): Mariko Kishimoto, Andrew H. Baird, Shinichiro Maruyama, Jun Minagawa & Shunichi Takahash
  • Journal Title: The ISME Journal Volume: 14 Pages: 3149-3152
  • DOI: 10.1038/s41396-020-00742-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Amphipol-assisted purification method for the highly active and stable photosystem II supercomplex of Chlamydomonas reinhardtii (2019)
  • Author(s): Watanabe A., Kim E., Burton-Smith R., Tokutsu R., Minagawa J.
  • Journal Title: FEBS Letters Volume: 593 Pages: 1072-1079
  • DOI: 10.1002/1873-3468.13394
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] pH-responsive binding properties of light-harvesting complexes in a photosystem II supercomplex investigated by thermodynamic dissociation kinetics analysis (2019)
  • Author(s): Kim, E., Watanabe, A., Sato, R., Okajima, K., Minagawa, J.
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 10 Pages: 3615-3620
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b01208
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structural determination of the large photosystem II-light-harvesting complex II supercomplex of Chlamydomonas reinhardtii using non-ionic amphipol (2019)
  • Author(s): Burton-Smith, R. N., Watanabe, A., Tokutsu, R., Song, C., Murata, K., Minagawa, J.
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 294 Pages: 15003-15013
  • DOI: 10.1074/jbc.ra119.009341
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The CONSTANS flowering complex controls the protective response of photosynthesis in the green alga Chlamydomonas (2019)
  • Author(s): Tokutsu Ryutaro、Fujimura-Kamada Konomi、Matsuo Takuya、Yamasaki Tomohito、Minagawa Jun
  • Journal Title: Nat. commun. Volume: 10 Pages: 10-10
  • DOI: 10.1038/s41467-019-11989-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structural insight into light harvesting for photosystem II in green algae (2019)
  • Author(s): Sheng, X., Watanabe, A., Li, A., Kim, E., Song, C., Murata, K., Song, D., Minagawa, J., Liu, Z.
  • Journal Title: Nature Plants Volume: 5 Pages: 1320-1330
  • DOI: 10.1038/s41477-019-0543-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Green fluorescence from cnidarian hosts attracts symbiotic algae (2019)
  • Author(s): Yusuke Aihara, Shinichiro Maruyama, Andrew H. Baird, Akira Iguchi, Shunichi Takahashi, Jun Minagawa
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 116 Pages: 2118-2123
  • DOI: 10.1073/pnas.1812257116
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Targeted proteome analysis of microalgae under high-light conditions by optimized protein extraction of photosynthetic organisms. (2019)
  • Author(s): Toyoshima, M., Sakata, M., Ohnishi, K., Tokumaru, Y., Kato, Y., Tokutsu, R., Sakamoto, W., Minagawa, J., Matsuda, F., Shimizu, H.
  • Journal Title: Journal of Bioscience and Bioengineering Volume: 127 Issue: 3 Pages: 394-402
  • DOI: 10.1016/j.jbiosc.2018.09.001
  • NAID: 40021846292
  • ISSN: 1389-1723
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Isolation of photoprotective signal transduction mutants by systematic bioluminescence screening in Chlamydomonas reinhardtii. (2019)
  • Author(s): Tokutsu R, Fujimura-Kamada K, Yamasaki T, Matsuo T, Minagawa J
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9(1) Pages: 2820-2820
  • DOI: 10.1038/s41598-019-39785-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Algal photoprotection is regulated by the E3 ligase CUL4?DDB1DET1 (2018)
  • Author(s): Aihara Yusuke、Fujimura-Kamada Konomi、Yamasaki Tomohito、Minagawa Jun
  • Journal Title: Nature Plants Volume: 5 Pages: 34-40
  • DOI: 10.1038/s41477-018-0332-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Investigation on the Thermodynamic Dissociation Kinetics of Photosystem II Supercomplexes To Determine the Binding Strengths of Light-Harvesting Complexes (2018)
  • Author(s): Kim Eunchul、Tokutsu Ryutaro、Minagawa Jun
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry B Volume: 122 Pages: 1627-1630
  • DOI: 10.1021/acs.jpcb.7b12417
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] LHCSR1-dependent fluorescence quenching is mediated by excitation energy transfer from LHCII to photosystem I inChlamydomonas reinhardtii (2018)
  • Author(s): Kosuge Kotaro、Tokutsu Ryutaro、Kim Eunchul、Akimoto Seiji、Yokono Makio、Ueno Yoshifumi、Minagawa Jun
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: in press Pages: 3722-3727
  • DOI: 10.1073/pnas.1720574115
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ROC75 is an Attenuator for the Circadian Clock that Controls LHCSR3 Expression. (2018)
  • Author(s): Kamrani YY, Matsuo T, Mittag M, Minagawa J
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 59(12) Pages: 2602-2607
  • DOI: 10.1093/pcp/pcy179
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A blue light photoreceptor mediates the feedback regulation of photosynthesis. (2016)
  • Author(s): Petroutsos D, Tokutsu R, Maruyama S, Flori S, Greiner A, Magneschi L, Cusant L, Kottke T, Mittag M, Hegemann P, Finazzi G and Minagawa J.
  • Journal Title: Nature Volume: 537 Pages: 563-566
  • DOI: 10.1038/nature19358
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 葉緑体における光合成の防御反応 (2020)
  • Author(s): 得津 隆太郎
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 緑藻 Chlamydomonas reinhardtiiにおけるLHCSR-NPQ による葉緑体白化抑制機構の解明 (2020)
  • Author(s): 岡島 圭佑
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 葉緑体核様体のダイナミクスを司るもの (2020)
  • Author(s): 得津 隆太郎
  • Organizer: 日本植物学会第８４回大会 シンポジウム
• [Presentation] Investigation on the aggregation-inducible quenching of LHCII trimers isolated from a green alga Chlamydomonas reinhardtii (2019)
  • Author(s): Eunchul Kim
  • Organizer: 第10回日本光合成学会年会
• [Presentation] 緑藻におけるNPQによる葉緑体白化抑制機構の解明 (2019)
  • Author(s): 岡島 圭佑
  • Organizer: 第10回日本光合成学会年会
• [Presentation] 花成計時因子CONSTANSは緑藻の強光適応を制御する (2019)
  • Author(s): 得津 隆太郎
  • Organizer: 第10回日本光合成学会年会
• [Presentation] Configurational changes of photosystem II supercomplex modulate light-harvesting property (2019)
  • Author(s): Eunchul Kim
  • Organizer: Gordon Research Conference - Photosynthesis
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Phosphorylation of light-harvesting complex II controls excitation energy spillover between photosystems (2019)
  • Author(s): Ryutaro Tokutsu
  • Organizer: Gordon Research Conference - Photosynthesis
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] IL-Algal photoprotection:Mechanism and signal transduction (2019)
  • Author(s): Jun Minagawa
  • Organizer: 2019 ESP-IUPB WORLD CONGRESS
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 緑藻におけるLHCSR-NPQによる葉緑体白化抑制機構の解明 (2019)
  • Author(s): 岡島 圭佑
  • Organizer: 新光合成＆光合成学会若手の会ジョイント若手ワークショップ2019
• [Presentation] 刺胞動物と褐虫藻の細胞内共生において高温ストレスが引き起こす共生崩壊に伴う遺伝子発現パターン変化の検出 (2019)
  • Author(s): 石井 悠
  • Organizer: 日本動物学会第90回大会
• [Presentation] サンゴ共生藻と刺胞動物の高温ストレスによる共生崩壊メカニズムの解明 (2019)
  • Author(s): 石井 悠
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] Algal photoprotection: Signal transduction and the mechanism (2019)
  • Author(s): Jun Minagawa
  • Organizer: The 9th Asia and Oceania Conference on Photobiology
• [Presentation] CRISPR/Cas9及びCRISPR/Cpf1システムによるChlamydomonas変異株の作製 (2019)
  • Author(s): 鎌田 このみ
  • Organizer: 第13回クラミドモナス研究会
• [Presentation] microRNAによって制御される生理機能の探索 (2019)
  • Author(s): 山﨑 朋人
  • Organizer: 第13回クラミドモナス研究会
• [Presentation] 花成計時因子CONSTANSは緑藻の強光適応を制御する (2019)
  • Author(s): 得津 隆太郎
  • Organizer: 第13回クラミドモナス研究会
• [Presentation] クラミドモナスのPSII-LHCII megacomplexの精製 (2019)
  • Author(s): 渡邉 顕正
  • Organizer: 第13回クラミドモナス研究会
• [Presentation] Algal photoprotection: Signal transduction and the mechanism (2019)
  • Author(s): Jun Minagawa
  • Organizer: 1st Japan-US Binational Seminar 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Configuration of PSII complexes switches between light-harvesting and photoprotective modes: The role of semi-crystalline PSII array<ST> (2019)
  • Author(s): Eunchul Kim
  • Organizer: 1st Japan-US Binational Seminar 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The CONSTANS flowering complex controls the protective response of algal photosynthesis (2019)
  • Author(s): 得津 隆太郎
  • Organizer: 1st Japan-US Binational Seminar 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 強光下における光合成膜内タンパク質の動的挙動解析 (2019)
  • Author(s): 太田 明香音
  • Organizer: 第42回分子生物学会年会
• [Presentation] Photoprotection in Chlamydomonas : Mechanism and signal transduction (2018)
  • Author(s): Jun Minagawa
  • Organizer: 1st Asia-Oceania International Congress on Photosynthesis (AOICP2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Thermodynamic Dissociation Kinetics assay to determine the binding strengths within a membrane protein complex (2018)
  • Author(s): Eunchul Kim
  • Organizer: 第56回日本生物物理学会
• [Presentation] 花成モジュールCONSTANS/NF-Yの起源は光防御コントロールにあった (2018)
  • Author(s): 得津 隆太郎
  • Organizer: 第20回日本光生物学協会学会
• [Presentation] miRNAを介した光防御機能の制御メカニズム解析 (2018)
  • Author(s): 山崎 朋人
  • Organizer: 植物学会第82回大会シンポジウム
• [Presentation] 光化学系を利用した緑藻の光防御メカニズム (2018)
  • Author(s): 得津 隆太郎
  • Organizer: 植物学会第81回大会シンポジウム
• [Presentation] Algal photoprotection is mediated by phototropin and CUL4-DDB1DET1 (2018)
  • Author(s): Jun Minagawa
  • Organizer: 北京大学セミナー
  • Invited
• [Presentation] プロトン駆動力による光合成のフィードバック制御 (2018)
  • Author(s): 皆川 純
  • Organizer: 生物工学会大会
  • Invited
• [Presentation] Algal photoprotection Mechanism and Signal Transduction (2018)
  • Author(s): Jun Minagawa
  • Organizer: International Symposium on photosynthesis and chloroplast biogenesis
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] A primordial CONSTANS/NF-Y flowering module funvtions in protective response of algal photosynthesis (2018)
  • Author(s): 得津 隆太郎
  • Organizer: International Symposium on photosynthesis and chloroplast biogenesis
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigation on the aggregation-inducible quenching of LHCⅡ trimers isolated from a green alga chlamydomonas reinhardtii (2018)
  • Author(s): Eunchul Kim
  • Organizer: International Symposium on photosynthesis and chloroplast biogenesis
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structural analysis of photosystem I-ferredoxin complex (2018)
  • Author(s): 河合（久保田） 寿子
  • Organizer: International Symposium on photosynthesis and chloroplast biogenesis
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 花成モジュールCONSTANS/NF-Yの起源は光防御コントロールにあった (2018)
  • Author(s): 得津 隆太郎
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Fine-tuning of qE quenching by microRNA in Chlamydomonas reinhardtii. クラミドモナスにおけるマイクロRNAを介したqEクエンチングのファインチューニング (2018)
  • Author(s): 山崎 朋人
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会年会
• [Presentation] A primordial flowering module underlies the protective response of algal photosynthesis 陸上植物における花成の起源は水圏藻類の光防御にあった (2018)
  • Author(s): 得津 隆太郎
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 緑藻クラミドモナスの走光性と光合成の関連性の研究 (2018)
  • Author(s): 岡島 圭佑,中島 昌子,植木紀子,久掘徹,若林憲一,皆川純
  • Organizer: 第９回日本光合成学会
• [Presentation] 携帯分光測定器による非モデル植物の光合成評価 (2018)
  • Author(s): 滝澤 謙二,小林 元
  • Organizer: 第９回日本光合成学会
• [Presentation] Amphipolを用いた、PSll-LHCll超複合体の安定な精製法の確立 (2018)
  • Author(s): 渡邉 顕正,得津隆太郎,Eunchul Kim,Raymond Burton Smith,皆川純
  • Organizer: 第９回日本光合成学会
• [Presentation] ROC75 is an Attenuator for the Circadian Clock that Controls LHCSR3 Expression (2018)
  • Author(s): Jun Minagawa,Yousef Yari Kamrani,Takuya Matsuo,Maria Mittag
  • Organizer: The 18th International Conference on the Cell and Molecular Biology of Chlamydomonas
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 新光合成～光合成の再最適化とNPQ～ (2018)
  • Author(s): 皆川 純
  • Organizer: 東京大学工学部セミナー
  • Invited
• [Presentation] Investigation on Spilover upon Open/Closed PSll States Using PAM-Spectrometer (2018)
  • Author(s): Eunchul Kim,Jun Minagawa
  • Organizer: 第9回日本光合成学会
• [Presentation] Regulation of photosynthesis by the power of proton (2017)
  • Author(s): 皆川純
  • Organizer: 日本植物生理学会シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] The molecular functions of LHCII phosphorylation during state transitions (2017)
  • Author(s): 得津隆太郎、Kim Eunchul、秋本誠志、横野牧生、鎌田このみ、大西紀和、皆川純
  • Organizer: 日本植物生理学会
• [Presentation] サンゴ共生褐虫藻におけるPSI-LHCI超複合体の機能構造解析 (2017)
  • Author(s): 加藤弘樹、得津隆太郎、河合（久保田）寿子、Ray Burton-Smith、皆川純
  • Organizer: 日本植物生理学会
• [Presentation] An Innovative Way to Isolate Stable PSII Supercomplexes (2017)
  • Author(s): Akimasa Watanabe, Ryutaro Tokutsu, Eunchul Kim, Burton-Smith Ray, Jun Minagawa
  • Organizer: 日本植物生理学会
• [Presentation] 褐虫藻Symbiodinium minutumにおける光化学系I複合体の機能構造解析 (2017)
  • Author(s): 加藤弘樹、得津隆太郎、河合（久保田）寿子、Ray Burton-Smith、皆川純
  • Organizer: 日本光合成学会
• [Presentation] Amphipolを用いたPSII-LHCII Supercomplexの精製 (2017)
  • Author(s): 渡邉 顕正, 得津 隆太郎, Burton-Smith Ray, Eunchul Kim, 皆川 純
  • Organizer: 日本光合成学会
• [Presentation] LHCSR3-dependent energy dissipation in PSII supercomplexes in a green alga Chlamydomonas reinhardtii (2016)
  • Author(s): Jun Minagawa
  • Organizer: Photosynthetic and respiratory complexes:From structure to function (prcsf2016)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 光合成の再最適化を目指す (2016)
  • Author(s): 皆川純
  • Organizer: 植物科学シンポジウム
  • Invited
• [Remarks] 基礎生物学研究所 環境光生物学研究部門HP
  • URL: https://www.nibb.ac.jp/photo/index.html
• [Remarks] 基礎生物学研究所環境光生物学研究部門
  • URL: http://www.nibb.ac.jp/photo/index.html