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植物における過剰光ストレス応答の総合研究

研究課題

研究課題/領域番号 21H05040
研究種目

基盤研究(S)

配分区分補助金
審査区分 大区分G
研究機関基礎生物学研究所

研究代表者

皆川 純  基礎生物学研究所, 環境光生物学研究部門, 教授 (80280725)

研究分担者 村田 和義  大学共同利用機関法人自然科学研究機構(機構直轄研究施設), 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)
研究期間 (年度) 2021-07-05 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
189,150千円 (直接経費: 145,500千円、間接経費: 43,650千円)
2025年度: 36,010千円 (直接経費: 27,700千円、間接経費: 8,310千円)
2024年度: 36,010千円 (直接経費: 27,700千円、間接経費: 8,310千円)
2023年度: 36,010千円 (直接経費: 27,700千円、間接経費: 8,310千円)
2022年度: 36,010千円 (直接経費: 27,700千円、間接経費: 8,310千円)
2021年度: 45,110千円 (直接経費: 34,700千円、間接経費: 10,410千円)
キーワード光合成 / 緑藻 / 環境適応 / NPQ / クライオ電子顕微鏡 / 高速AFM / 葉緑体
研究開始時の研究の概要

光合成系の集光アンテナは最適な集光をするために発達したが、同時に過剰光環境下にあっても光化学系が壊れないよう保護機構も備えた。過剰な光エネルギーを安全に熱散逸するNPQ(non-photochemical quenching)が極めて有効な保護機構であることがわかってきたが、必要因子の誘導伝達系、熱散逸場の構造、反応メカニズムなど不明点は多い。本研究は、強光シグナルによって開始される一連の光保護反応の一般則を確立する。

研究実績の概要

Ostreococcus tauriは、海洋に偏在するピコ植物プランクトンであり、初期分岐型緑藻である。クライオ電子顕微鏡による構造解析により、その光化学系I超複合体は、光捕集複合体I(LHCI)および原始生物特有の光捕集複合体(Lhcp)と集合することによって光捕集能力を拡大させており、陸上植物型とコア緑藻型のPSI超複合体のハイブリッドな特徴を示していることがわかった。PSIコアの片側にはLHCIベルト、もう片側にPsaGとPsaHの間にはLHCIハーフベルトが結合していた。Lhca6とPsaKの間の第三の側面にはアミノ末端のスレオニンがリン酸化された1個のLhcp1モノマーと8個のLhcp2モノマーが、3つの三量体としてオリゴマー化しPSIと会合していた。Lhcp1のリン酸化とPSIの光捕集能は可逆的な光化学反応を示したことから、OtPSI-LHCI-Lhcp超複合体の形成は光強度変化によって誘導されるリン酸化依存的な機構による可能性が高いことも示唆された。非光化学消光(NPQ)は、緑藻類においては光保護タンパク質LHCSR1、LHCSR3、PsbSによって制御されている。最近、これらの光保護タンパク質をクラミドモナスにおいて過剰発現させることで、NPQ応答が著しく高くなるdet1-2 phot変異体が発見された。この応答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したところ、野生型細胞が生存できないような高照度下で、det1-2 phot変異株は効率よく増殖できることがわかった。この変異体は、暗所でのPSII断面積が小さく、暗所での光化学消光のクロロフィル蛍光パラメータの上昇(qPd > 1)を示したことから、NPQ状態における周辺部の光捕集複合体II(LHCII)アンテナの剥離が示唆された。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究が始まり1年半の時点であり、まだ研究項目全判に亘り展開を図っている時期だが、ほぼすべての研究項目において研究は着実に進展し成果が得られている。論文化も順調に進んでいる。当初計画どおりに進めた場合では期待値が低いと判断した課題は基盤技術の根本的な整備を図ると同時に、予備課題「原始緑藻における光環境適応の構造基盤」を立ち上げたが、その結果が想定以上であり、これは重要論文としてすでに出版された。本研究は、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ことは確実である。さらに、順調に進んでいる緑藻の LHCSR 強光発現誘導研究の成果の中からも予期外の結果が得られており、光合成研究の枠を越える重要な貢献に至る可能性も出てきた。総じて順調に研究が進展しており、期待どおりの成果が見込まれると判断した。

今後の研究の推進方策

1.緑藻のNPQはゼアキサンチンに依存しないとされてきたが再検証が必要である。これらの解析に有効な変異株det1をすでに見出しているため、各種変異株を作成した上で、緑藻におけるゼアキサンチン依存NPQを詳細に解析する。
2.植物チラコイド膜の高速AFM解析技術基盤が整備されたので、PSII超複合体マクロ構造とNPQ機能の連関に関するin situ動態解析を進める。
3.原始緑藻PSI超複合体構造は、従来色相順化と考えられてきたステート遷移の再検証の必要性を示唆している。この可能性を、各光化学系超複合体の精密精製、光学特性の解析、生化学特性の解析により検討する。

評価記号
中間評価所見 (区分)

A: 研究領域の設定目的に照らして、期待どおりの進展が認められる

報告書

(6件)
  • 2023 研究概要(中間評価) ( PDF )   中間評価(所見) ( PDF )
  • 2022 実績報告書
  • 2021 研究概要(採択時) ( PDF )   審査結果の所見 ( PDF )   実績報告書
  • 研究成果

    (31件)

すべて 2023 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 5件、 査読あり 9件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 10件、 招待講演 4件) 図書 (3件)

  • [国際共同研究] Queen Marry University of London(英国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [国際共同研究] Chinese Academy of Science(中国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Small RNA-mediated silencing of phototropin suppresses the induction of photoprotection in the green alga Chlamydomonas reinhardtii2023

    • 著者名/発表者名
      Yamasaki T, Tokutsu R, Minagawa J
    • 雑誌名

      Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America

      巻: in press

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Light-independent regulation of algal photoprotection by CO2 availability2023

    • 著者名/発表者名
      Ruiz-Sola M, Flori S, Yuan Y, Villain G, Sanz-Luque E, Redekopp P, Tokutsu R, Kueken A, Tsichla A, Kepesidis G, Allorent G, Arend M, Iacono F, Finazzi G, Hippler M, Nikoloski Z, Minagawa J, Grossman A, Petroutsos D
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 14 ページ: 1977-1977

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] The photosystem I supercomplex from a primordial green alga Ostreococcus tauri harbors three light-harvesting complex trimers2023

    • 著者名/発表者名
      Ishii A, Shan J, Sheng S, Kim E, Watanabe A, Yokono M, Noda C, Chihong S, Murata K, Liu Z, Minagawa J
    • 雑誌名

      eLife

      巻: 12

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Extracellular CahB1 from Coleofasciculus chthonoplastes is a functional carboxysomal β-carbonic anhydrase in Synechocystis2023

    • 著者名/発表者名
      Minagawa J, Dann M
    • 雑誌名

      Plants

      巻: 12 ページ: 265-265

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] State transition is quiet around pyrenoid and LHCII phosphorylation is not essential for thylakoid deformation in Chlamydomonas 137c2022

    • 著者名/発表者名
      Zhang XJ, FujitaY, Kaneda N, Tokutsu R, Ye S, Minagawa J, Shibata Y
    • 雑誌名

      Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America

      巻: 119 号: 37

    • DOI

      10.1073/pnas.2122032119

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Conformation of Light-Harvesting Complex II Trimer Depends upon Its Binding Site2022

    • 著者名/発表者名
      Kim E, Kubota-Kawai H, Kawai F, Yokono M, Minagawa J
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 126 号: 31 ページ: 5855-5865

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.2c04061

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Phosphorylation of light-harvesting complex II controls excitation energy spillover between photosystems2022

    • 著者名/発表者名
      Tokutsu R, Kim E, Akimoto S, Yokono M, Fujimura-Kamada K, Ohnishi N, Ueno Y, Minagawa J
    • 雑誌名

      bioRxiv

      巻: -

    • DOI

      10.1101/2022.07.10.499486

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] An ancient function of PGR5 in iron delivery?2022

    • 著者名/発表者名
      Leister D, Marino G, Minagawa J, Dann M
    • 雑誌名

      Trends in Plant Science

      巻: 27 号: 10 ページ: 971-980

    • DOI

      10.1016/j.tplants.2022.04.006

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] 平面脂質二重膜の生体分子AFM観察への応用2022

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto Daisuke
    • 雑誌名

      膜

      巻: 47 号: 1 ページ: 10-14

    • DOI

      10.5360/membrane.47.10

    • NAID

      130008159581

    • ISSN
      0385-1036, 1884-6440
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Below 3 A structure of apoferritin using a multipurpose TEM with a side entry cryoholder2021

    • 著者名/発表者名
      Kayama Y, Burton-Smith RN, Song C, Terahara N, Kato T, Murata K
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 11 号: 1 ページ: 8395-8395

    • DOI

      10.1038/s41598-021-87183-1

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Regulation of light-harvesting systems in plants: Flexible conformation of light-harvesting complex II trimer depending on its binding site2023

    • 著者名/発表者名
      Kim E, Kubota-Kawai H, Kawai F, Yokono M, Minagawa J
    • 学会等名
      67th Biophysical Society Annual Meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Architencutre of algal photosystem I in state 22022

    • 著者名/発表者名
      Minagawa J, Pan X, Shan J, Tokutsu R, Ishii A, Sheng X, Li A, Kim K, Watanabe A, Yokono M, Noda C, Song C, Murata K, Takizawa K, Yamasaki T, Mei L, Liu Z
    • 学会等名
      International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Regulation
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Observation of photosynthetic proteins in thylakoid membrane by high-speed atomic force microscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Yamamoto D
    • 学会等名
      International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Regulation
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Heterogeneity of photosystem megacomplexes in green plants2022

    • 著者名/発表者名
      Kim E, Minagawa J
    • 学会等名
      International Symposium on Photosynthesis and Chloroplast Regulation
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Regulation of photosynthesis by dynamic remodeling of protein supercomplexes2022

    • 著者名/発表者名
      Minagawa J
    • 学会等名
      NIBB-COS workshop
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] チラコイド膜中に存在する光化学系 II 超複合体の高速 AFM による可視化2022

    • 著者名/発表者名
      山本大輔
    • 学会等名
      第 60 回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] タンパク質間相互作用による光合成集光システムの調節2022

    • 著者名/発表者名
      Kim E, Minagawa J
    • 学会等名
      第 60 回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Investigation into the regulatory factor of the formation of multimeric Photosystem II supercomplexes2022

    • 著者名/発表者名
      Kim E, Ishii A, Noda C, Minagawa J
    • 学会等名
      International Congress on Photosynthesis Research 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Architecture of the PSI-LHCI-Lhcp supercomplex from the prasinophyte Ostreococcus tauri2022

    • 著者名/発表者名
      Ishii A, Shan J, Sheng S, Kim E, Watanabe A, Yokono M, Noda C, Chihong S, Murata K, Liu Z, Minagawa J
    • 学会等名
      International Congress on Photosynthesis Research 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Structural basis for light harvesting regulation through state transitions in green algae2022

    • 著者名/発表者名
      Pan X, Tokutsu R, Li L, Takizawa K, Song C, Murata K, Yamasaki Y, Liu Z, Minagawa J, Li M
    • 学会等名
      International Congress on Photosynthesis Research 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Site-dependent state transition and ultrastructural changes of thylakoid in Chlamydomonas2022

    • 著者名/発表者名
      Zhang X, Fujita Y, Kaneda N, TokutsuR, Minagawa J, Ye S, Shibata Y
    • 学会等名
      International Congress on Photosynthesis Research 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 緑藻クラミドモナスにおける LHCII サブユニットの光防御機能解析2022

    • 著者名/発表者名
      Eunchul Kim, 川上 恵典, 鎌田 このみ, 石井 麻子, 皆川 純
    • 学会等名
      第 15 回クラミドモナス研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 高速 AFM によるグラナ膜に内在する PSII 側方運動の可視化2021

    • 著者名/発表者名
      井手美里, 山本大輔
    • 学会等名
      日本生物物理学会第 59 回年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 熱揺らぎ一定モード原子間力顕微鏡の開発2021

    • 著者名/発表者名
      山本大輔
    • 学会等名
      日本生物物理学会第 59 回年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] チラコイド膜内光合成タンパク質の高速 AFM による構造ダイナミクス解析2021

    • 著者名/発表者名
      山本大輔
    • 学会等名
      第 94 回日本生化学会大会、シンポジウム「革新的解析技術で迫る膜輸送タンパク質の実像」
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Regulation of Light-Harvesting Systems by Inter-Protein Interactions in Green Algae and Plants2021

    • 著者名/発表者名
      Kim E, Minagawa J
    • 学会等名
      The 11th Asian Photochemistry Conference
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [図書] 自然科学研究機構におけるクライオ電子顕微鏡支援 クライオ電子顕微鏡 ハンドブック(難波啓一、加藤貴之、牧野文信 監修)2023

    • 著者名/発表者名
      ソン・チホン, 村田和義
    • 総ページ数
      8
    • 出版者
      (株)エヌ・ティー・エス
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [図書] 特集 クライオ電子顕微鏡の現在「生命分子動態機能解析システムと組み合わせたクライオEM研究支援」顕微鏡 Vol 57. No.32022

    • 著者名/発表者名
      ソン・チホン,村田和義
    • 総ページ数
      5
    • 出版者
      日本顕微鏡学会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [図書] クライオ電子顕微鏡で生体分子の構造解析をはじめよう 日本結晶学会誌 Vol.632021

    • 著者名/発表者名
      ソン・チホン,村田和義
    • 総ページ数
      9
    • 出版者
      日本結晶学会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

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公開日: 2021-07-08   更新日: 2025-04-17  

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