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2019 年度 実績報告書

プロトン勾配による集光のフィードバック制御

計画研究

研究領域新光合成:光エネルギー変換システムの再最適化
研究課題/領域番号 16H06553
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 園池 公毅  早稲田大学, 教育・総合科学学術院, 教授 (30226716)
秋本 誠志  神戸大学, 理学研究科, 准教授 (40250477)
研究期間 (年度) 2016-06-30 – 2021-03-31
キーワード光合成
研究実績の概要

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。

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

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。

今後の研究の推進方策

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。

  • 研究成果

    (32件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 2件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (21件) (うち国際学会 6件、 招待講演 2件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] 中国科学院(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      中国科学院
  • [国際共同研究] ロンドン大学クイーンメリー(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      ロンドン大学クイーンメリー
  • [雑誌論文] Characterization of a Giant PSI Supercomplex in the Symbiotic Dinoflagellate Symbiodiniaceae2020

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Kato, Ryutaro Tokutsu, Hisako Kubota-Kawai, Raymond N. Burton-Smith, Eunchul Kim, Jun Minagawa
    • 雑誌名

      Plant Physiology

      巻: 183 ページ: 1725-1734

    • DOI

      10.1104/pp.20.00726

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Multimeric and monomeric photosystem II supercomplexes represent structural adaptations to low- and high-light conditions2020

    • 著者名/発表者名
      Eunchul Kim, Akimasa Watanabe, Christopher D. P. Duffy, Alexander V. Ruban, Jun Minagawa
    • 雑誌名

      Journal of Biological Chemistry

      巻: 295 ページ: 14537-14545

    • DOI

      10.1074/jbc.RA120.014198

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Loss of symbiont infectivity following thermal stress can be a factor limiting recovery from bleaching in cnidarians2020

    • 著者名/発表者名
      Mariko Kishimoto, Andrew H. Baird, Shinichiro Maruyama, Jun Minagawa & Shunichi Takahash
    • 雑誌名

      The ISME Journal

      巻: 14 ページ: 3149-3152

    • DOI

      10.1038/s41396-020-00742-8

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Amphipol-assisted purification method for the highly active and stable photosystem II supercomplex of Chlamydomonas reinhardtii2019

    • 著者名/発表者名
      Watanabe A., Kim E., Burton-Smith R., Tokutsu R., Minagawa J.
    • 雑誌名

      FEBS Letters

      巻: 593 ページ: 1072-1079

    • DOI

      10.1002/1873-3468.13394

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] pH-responsive binding properties of light-harvesting complexes in a photosystem II supercomplex investigated by thermodynamic dissociation kinetics analysis2019

    • 著者名/発表者名
      Kim, E., Watanabe, A., Sato, R., Okajima, K., Minagawa, J.
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry Letters

      巻: 10 ページ: 3615-3620

    • DOI

      10.1021/acs.jpclett.9b01208

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Structural determination of the large photosystem II-light-harvesting complex II supercomplex of Chlamydomonas reinhardtii using non-ionic amphipol2019

    • 著者名/発表者名
      Burton-Smith, R. N., Watanabe, A., Tokutsu, R., Song, C., Murata, K., Minagawa, J.
    • 雑誌名

      Journal of Biological Chemistry

      巻: 294 ページ: 15003-15013

    • DOI

      10.1074/jbc.RA119.009341

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] The CONSTANS flowering complex controls the protective response of photosynthesis in the green alga Chlamydomonas2019

    • 著者名/発表者名
      Tokutsu, R., Fujimura-Kamada, K., Matsuo, T., Yamasaki, T., Minagawa, J.
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 10 ページ: 4099

    • DOI

      10.1038/s41467-019-11989-x

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Structural insight into light harvesting for photosystem II in green algae2019

    • 著者名/発表者名
      Sheng, X., Watanabe, A., Li, A., Kim, E., Song, C., Murata, K., Song, D., Minagawa, J., Liu, Z.
    • 雑誌名

      Nature Plants

      巻: 5 ページ: 1320-1330

    • DOI

      10.1038/s41477-019-0543-4

    • 査読あり
  • [学会発表] 葉緑体における光合成の防御反応2020

    • 著者名/発表者名
      得津 隆太郎
    • 学会等名
      第61回日本植物生理学会年会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      岡島 圭佑
    • 学会等名
      第61回日本植物生理学会年会
  • [学会発表] 葉緑体核様体のダイナミクスを司るもの2020

    • 著者名/発表者名
      得津 隆太郎
    • 学会等名
      日本植物学会第84回大会 シンポジウム
  • [学会発表] Investigation on the aggregation-inducible quenching of LHCII trimers isolated from a green alga Chlamydomonas reinhardtii2019

    • 著者名/発表者名
      Eunchul Kim
    • 学会等名
      第10回日本光合成学会年会
  • [学会発表] 緑藻におけるNPQによる葉緑体白化抑制機構の解明2019

    • 著者名/発表者名
      岡島 圭佑
    • 学会等名
      第10回日本光合成学会年会
  • [学会発表] 花成計時因子CONSTANSは緑藻の強光適応を制御する2019

    • 著者名/発表者名
      得津 隆太郎
    • 学会等名
      第10回日本光合成学会年会
  • [学会発表] Configurational changes of photosystem II supercomplex modulate light-harvesting property2019

    • 著者名/発表者名
      Eunchul Kim
    • 学会等名
      Gordon Research Conference - Photosynthesis
    • 国際学会
  • [学会発表] Phosphorylation of light-harvesting complex II controls excitation energy spillover between photosystems2019

    • 著者名/発表者名
      Ryutaro Tokutsu
    • 学会等名
      Gordon Research Conference - Photosynthesis
    • 国際学会
  • [学会発表] IL-Algal photoprotection:Mechanism and signal transduction2019

    • 著者名/発表者名
      Jun Minagawa
    • 学会等名
      2019 ESP-IUPB WORLD CONGRESS
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 緑藻におけるLHCSR-NPQによる葉緑体白化抑制機構の解明2019

    • 著者名/発表者名
      岡島 圭佑
    • 学会等名
      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
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      石井 悠
    • 学会等名
      日本動物学会第90回大会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      石井 悠
    • 学会等名
      日本植物学会第83回大会
  • [学会発表] Algal photoprotection: Signal transduction and the mechanism2019

    • 著者名/発表者名
      Jun Minagawa
    • 学会等名
      The 9th Asia and Oceania Conference on Photobiology
  • [学会発表] CRISPR/Cas9及びCRISPR/Cpf1システムによるChlamydomonas変異株の作製2019

    • 著者名/発表者名
      鎌田 このみ
    • 学会等名
      第13回クラミドモナス研究会
  • [学会発表] microRNAによって制御される生理機能の探索2019

    • 著者名/発表者名
      山﨑 朋人
    • 学会等名
      第13回クラミドモナス研究会
  • [学会発表] 花成計時因子CONSTANSは緑藻の強光適応を制御する2019

    • 著者名/発表者名
      得津 隆太郎
    • 学会等名
      第13回クラミドモナス研究会
  • [学会発表] クラミドモナスのPSII-LHCII megacomplexの精製2019

    • 著者名/発表者名
      渡邉 顕正
    • 学会等名
      第13回クラミドモナス研究会
  • [学会発表] Algal photoprotection: Signal transduction and the mechanism2019

    • 著者名/発表者名
      Jun Minagawa
    • 学会等名
      1st Japan-US Binational Seminar 2019
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Configuration of PSII complexes switches between light-harvesting and photoprotective modes: The role of semi-crystalline PSII array<ST>2019

    • 著者名/発表者名
      Eunchul Kim
    • 学会等名
      1st Japan-US Binational Seminar 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] The CONSTANS flowering complex controls the protective response of algal photosynthesis2019

    • 著者名/発表者名
      得津 隆太郎
    • 学会等名
      1st Japan-US Binational Seminar 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      太田 明香音
    • 学会等名
      第42回分子生物学会年会
  • [備考] 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

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公開日: 2021-12-27  

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