プロトン勾配による集光のフィードバック制御

2020 年度 実績報告書

• 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: 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)
• 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：維管束植物のチラコイド膜では「半結晶性PSIIアレイ」と呼ばれる低照度下でのみ出現する分子構造が観察されているが機能的役割は明らかにされていなかった。本研究では、低照度順化したホウレンソウ葉において、PSII-LHCII 超複合体を単量体および多量体として同定し、多量体型は低照度への構造適応であり、PSII-LHCII超複合体の分解は高照度への適応であることを示した。また、モデル緑藻類 Chlamydomonas から単離した 4 種類の LHCII 三量体のエネルギー散逸能について分光学的解析を行い，それぞれのLHCII 三量体のエネルギー散逸能に大きな違いがあることを明らかにした。
２．光合成生物の環境応答の解明：光環境（光質（色）、光量（強度））、pHなどの変化に伴う励起エネルギー移動過程の応答について、ピコ秒時間分解蛍光分光法および定常蛍光分光法により追跡した。また、2種の珪藻PhaeodactylumとChaetocerosの変動光に対する応答を調べたところ、共通の応答としてPSIIでの消光（数百ピコ秒）、前者のみの応答としてPSII→PSIエネルギー移動の抑制、後者のみの応答としてアンテナ色素タンパク質での消光が起きることがわかった。さらに、種々の色素タンパク質超複合体の構造を解明し、構造に特徴付けられる励起エネルギー移動過程の同定を行った。
３．光合成測定および技術開発：クロロフィル蛍光によりプラストキノンとNADPHの酸化還元状態を一回のクロロフィル蛍光測定により見積もる方法を開発し、クロロフィル蛍光測定のスクリーニングなどへの応用についてまとめた。また、領域内共同研究によりNADキナーゼのシアノバクテリアにおける機能、シアノバクテリアの窒素代謝のメカニズムを明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [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
• [国際共同研究] 中国科学院/生物物理学研究所(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 中国科学院/生物物理学研究所
• [雑誌論文] Characterization of Chlamydomonas reinhardtii mutants that exhibit strong positive phototaxis (2021)
  • 著者名/発表者名: Morishita J, Tokutsu R, Minagawa J, Hisabori T, Wakabayashi K
  • 雑誌名: Plants 巻: 10 ページ: 1483
  • 査読あり
• [雑誌論文] Respiration interacts with photosynthesis through the acceptor side of photosystem I, reflected in the dark-to-light induction kinetics of chlorophyll fluorescence in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 (2021)
  • 著者名/発表者名: Ogawa T, Suzuki K, Sonoike K
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 12 ページ: 717968
  • 査読あり
• [雑誌論文] The NAD kinase Slr0400 functions as a growth repressor in Synechocystis sp. PCC 6803 (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Y, Cassan C, Kadeer A, Yuasa K, Sato N, Sonoike K, Kaneko Y, Miyagi A, Takahashi H, Ishikawa T, Yamaguchi M, Nishiyama Y, Hihara Y, Gibon Y, Kawai-Yamada M
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 62 ページ: 668-677
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Dissection of the mechanisms of growth inhibition resulting from loss of the PII protein in the cyanobacterium Synechococcus elongatus PCC 7942 (2021)
  • 著者名/発表者名: Sakamoto T, Takatani N, Sonoike K, Jimbo H, Nishiyama Y, Omata T
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 62 ページ: 721-731
  • 査読あり
• [雑誌論文] Screening of mutants using chlorophyll fluorescence (2021)
  • 著者名/発表者名: Ogawa T, Sonoike K
  • 雑誌名: Journal of Plant Research 巻: 134 ページ: 653-664
  • 査読あり
• [雑誌論文] Basic pH-induced modification of excitation-energy dynamics in fucoxanthin chlorophyll a/c-binding proteins isolated from a pinguiophyte, Glossomastix chrysoplasta (2021)
  • 著者名/発表者名: Nagao R, Yokono M, Ueno Y, Kato K, Tsuboshita N, Shen JR, Akimoto S
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta 巻: 1862 ページ: 148306
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular organizations and function of iron-stress-induced-A protein family in Anabaena sp. PCC 7120 (2021)
  • 著者名/発表者名: Nagao R, Yokono M, Ueno Y, Suzuki T, Kato K, Kato K, Tsuboshita N, Jiang TY, Dohmae N, Shen JR, Ehira S, Akimoto S
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta 巻: 1862 ページ: 148327
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Enhancement of excitation-energy quenching in fucoxanthin chlorophyll a/c-binding proteins isolated from a diatom, Phaeodactylum tricornutum (2021)
  • 著者名/発表者名: Nagao R, Yokono M, Ueno Y, Suzuki T, Kumazawa M, Kato K, Tsuboshita N, Dohmae N, Ifuku K, Shen JR, Akimoto S
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta 巻: 1862 ページ: 148350
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Role of type I NADH dehydrogenase in Synechocystis sp. PCC 6803 under phycobilisome excited red light (2021)
  • 著者名/発表者名: Toyoshima M, Yamamoto C, Ueno Y, Toya Y, Akimoto S, Shimizu H
  • 雑誌名: Plant Science 巻: 304 ページ: 110798
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mutations in hik26 and slr1916 lead to high-light stress tolerance in Synechocystis sp. PCC6803 (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshikawa K, Ogawa K, Toya Y, Akimoto S, Matsuda F, Shimizu H
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 4 ページ: 343
  • 査読あり
• [雑誌論文] Estimation of linear and cyclic electron flows in photosynthesis based on 13C-metabolic flux analysis (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto C, Toyoshima M, Ueno Y, Kitamura S, Akimoto S, Toya Y, Shimizu H
  • 雑誌名: Journal of Bioscience and Bioengineering 巻: 131 ページ: 277-282
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-light modification of excitation-energy-relaxation processes in the green flagellate Euglena gracilis (2021)
  • 著者名/発表者名: Nagao R, Yokono M, Kato KH, Ueno Y, Shen JR, Akimoto S
  • 雑誌名: Photosynthesis Research 巻: 149 ページ: 303-311
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Structural basis of LhcbM5-mediated state transitions in green algae (2021)
  • 著者名/発表者名: Pan X, Tokutsu R, Li A, Takizawa K, Song C, Murata K, Yamasaki T, Liu Z, Minagawa J, Li M
  • 雑誌名: Nature Plants 巻: 7 ページ: 1119-1131
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Shape-memory behavior of thylakoid in Chlamydomonas as revealed by novel excitation spectral microscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Zhang XJ, Fujita Y, Tokutsu R, Minagawa J, Shen Y, Shibata Y
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 62 ページ: 872-882
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] UV-A radiation rapidly activates photoprotective mechanisms in Chlamydomonas reinhardtii (2021)
  • 著者名/発表者名: Tokutsu R, Fujimura-Kamada K, Yamasaki T, Okajima K, Minagawa J
  • 雑誌名: Plant Physiology 巻: 185 ページ: 1894-1902
  • 査読あり
• [雑誌論文] Morphological and cytological observations of corolla green spots reveal the presence of functional chloroplasts in Japanese gentian (2020)
  • 著者名/発表者名: Takahashi S, Ozawa S, Sonoike K, Sasaki K, Nishihara M
  • 雑誌名: PLoS ONE 巻: 15 ページ: e0237173
  • 査読あり
• [雑誌論文] Light dependent accumulation of β-carotene enhances photo-acclimation of Euglena gracilis (2020)
  • 著者名/発表者名: Tanno Y, Kato S, Takahashi S, Tamaki S, Takaichi S, Kodama Y, Sonoike K, Shinomura T
  • 雑誌名: Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 巻: 209 ページ: 111950
  • 査読あり
• [雑誌論文] A novel method produces native LHCII aggregates from the photosynthetic membrane revealing their role in NPQ (2020)
  • 著者名/発表者名: Shukla MK, Watanabe A, Wilson S, Giovagnetti V, Moustafa EI, Minagawa J, Ruban AV
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 295 ページ: 17816-17826
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Structural characterization of the photosystems in the green alga Chlorella sorokiniana (2020)
  • 著者名/発表者名: Watanabe A, Minagawa J
  • 雑誌名: Planta 巻: 252 ページ: 79
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photoprotective capabilities of light-harvesting complex II trimers in a green alga Chlamydomonas reinhardtii (2020)
  • 著者名/発表者名: Kim E, Kawakami K, Sato R, Ishii A, Minagawa J
  • 雑誌名: Journal of Physical Chemistry Letters 巻: 11 ページ: 7755-7761
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multimeric and monomeric photosystem II supercomplexes represent structural adaptations to low- and high-light conditions. (2020)
  • 著者名/発表者名: Kim, E., Watanabe, A., Duffy, C. D. P., Ruban, A. V., Minagawa J.
  • 雑誌名: J. Biol. Chem. 巻: 295 ページ: 14537-14545
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Characterization of a giant photosystem I supercomplex in the symbiotic dinoflagellate Symbiodiniaceae. (2020)
  • 著者名/発表者名: Kato, H., Tokutsu, R., Kubota-Kawai, H., Burton-Smith, R. N., Kim, E., Minagawa J.
  • 雑誌名: Plant Physiol. 巻: 183 ページ: 1725-1734
  • 査読あり
• [雑誌論文] Adaptation of light-harvesting and energy-transfer processes of a diatom Chaetoceros gracilis to different light qualities. (2020)
  • 著者名/発表者名: Akimoto S, Ueno Y, Yokono M, Shen JR, Nagao R
  • 雑誌名: Photosynth. Res. 巻: 146 ページ: 143-150.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of CO2 and temperature on photosynthetic performance in the diatom Chaetoceros gracilis. (2020)
  • 著者名/発表者名: Nagao R, Ueno Y, Akimoto S, Shen JR
  • 雑誌名: Photosynth. Res. 巻: 146 ページ: 189-195
  • 査読あり
• [雑誌論文] Adaptation of light-harvesting and energy-transfer processes of a diatom Phaeodactylum tricornutum to different light qualities. (2020)
  • 著者名/発表者名: Oka K, Ueno Y, Yokono M, Shen JR, Nagao R, Akimoto S
  • 雑誌名: Photosynth. Res. 巻: 146 ページ: 227-234
  • 査読あり
• [雑誌論文] xcitation energy transfer and quenching in diatom PSI-FCPI upon P700 cation formation. (2020)
  • 著者名/発表者名: Nagao R, Yokono M, Ueno Y, Shen JR, Akimoto S
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 124 ページ: 1481-1486
  • 査読あり
• [雑誌論文] pH-induced regulation of excitation energy transfer in cyanobacterial photosystem I tetramer. (2020)
  • 著者名/発表者名: Nagao R, Yokono M, Ueno Y, Jiang TY, Shen JR, Akimoto S
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 124 ページ: 1949-1954
  • 査読あり
• [雑誌論文] Photoprotection mechanisms under different CO2 regimes during photosynthesis in a green alga Chlorella variabilis. (2020)
  • 著者名/発表者名: Ueno Y, Shimakawa G, Aikawa S, Miyake C, Akimoto S
  • 雑誌名: Photosynth. Res. 巻: 144 ページ: 397-407
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structure of a cyanobacterial photosystem I surrounded by octadecameric IsiA antenna proteins. (2020)
  • 著者名/発表者名: Akita F, Nagao R, Kato K, Nakajima Y, Yokono M, Ueno Y, Suzuki T, Dohmae N, Shen JR, Akimoto S, Miyazaki N
  • 雑誌名: Commun. Biol. 巻: 3 ページ: 232
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural basis for assembly and function of a diatom photosystem I-light-harvesting supercomplex. (2020)
  • 著者名/発表者名: Nagao R, Kato K, Ifuku K, Suzuki T, Kumazawa M, Uchiyama I, Kashino Y, Dohmae N, Akimoto S, Shen JR, Miyazaki N, Akita F
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 11 ページ: 2481
  • 査読あり
• [雑誌論文] Acidic pH-induced modification of excitation energy transfer in diatom fucoxanthin chlorophyll a/c-binding proteins. (2020)
  • 著者名/発表者名: Nagao R, Yokono M, Ueno Y, Shen JR, Akimoto S
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. B 巻: 124 ページ: 4919-4923
  • 査読あり
• [学会発表] Multimeric and monomeric PSII supercomplexes represent structural adaptations to low- and high-light conditions (2021)
  • 著者名/発表者名: Minagawa, J.
  • 学会等名: 第６２回日本植物生理学会大会国際シンポジウム
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Algal photoprotection: Signal transduction and the mechanism (2021)
  • 著者名/発表者名: Minagawa, J.
  • 学会等名: Digital symposium “Chloroplasts; the green hubs of plant biology”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Algal Photoprotection: Signal Transduction and the Mechanism (2021)
  • 著者名/発表者名: Minagawa, J.
  • 学会等名: 11th Asian Photochemistry Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] http://www.nibb.ac.jp/photo/